Колебания уровней воды и течения на водохранилищах и озерах

Нижняя (приплотинная) часть водохранилища имеет небольшую протяженность. Скорости течения в этой зоне повышенные, особенно весной в период сброса в нижний бьеф паводка. Приплотинная часть водохранилища глубоководная при любых уровнях воды. Волнение здесь наибольшее по сравнению с другими частями водохранилища.

Средняя часть водохранилища имеет наибольшую из всех частей протяженность. Течение слабое, глубины большие только при высоких уровнях. При понижении уровня воды глубины над поймой небольшие, распространяющееся до дна волнение сильное. При нормальных подпорных уровнях условия плавания здесь такие же, как в нижней зоне.

Верхняя (речная) часть водохранилища при высоких уровнях представляет собой мелкий водоем. При низких уровнях вода входит в меженное русло. Волнение здесь слабое, глубины небольшие и часто меняются из-за колебаний уровня, русло постоянно переформировывается.

Зона выклинивания подпора представляет собой устье главной реки со сложным гидрологическим режимом. У перекатов, расположенных в зонах выклинивания подпора, происходит наращивание гребней, так как при высоких уровнях река несет много наносов. При низких уровнях воды происходит размыв переката, но этот процесс идет медленнее вплоть до следующего половодья.

В зоне выклинивания подпора высота гребней перекатов возрастает на 30—35 см по сравнению с их высотой до создания подпора. За счет этого уменьшаются и часто меняются глубины, плавание судов становится затруднительным.

Максимальные течения на водохранилищах наблюдаются в период половодья. В центральных зонах водохранилища в половодье скорость течения бывает. 0,5—0,8 м/с, а у берегов—0,3—0,5 м/с.

Течения на водохранилищах возникают также и при попусках воды. В этом случае в водохранилище, которое является нижним бьефом верхней ГЭС, наблюдаются скорости течения, достигающие нескольких километров в час. В межень попуски, а, следовательно, скорости течения, меньше.

Ветровые течения (дрейфовые) возникают под влиянием трения воздушного потока о поверхность воды и давления ветра на наветренные склоны волн. Скорость дрейфового течения зависит от скорости и продолжительности действия ветра, от глубины, близости берегов и островов. По данным В.К. Давыдова скорости поверхностных течений составляют l—7% от скорости ветра.

Направления и скорости дрейфовых течений часто меняются, особенно при слабых ветрах. Вблизи берегов на ветровое накладывается течение, возникающее от сгонов и нагонов воды.

Течения на озерах и водохранилищах возникают под влиянием впадающих и вытекающих рек (стоковые течения), вследствие неравномерного нагревания и охлаждения масс воды и под влиянием ветра. На судоходство оказывают влияние лишь стоковые течения, вызываемые реками. Однако скорость этих течений невелика и в редких случаях достигает 1 см/с.

Уровни воды в водохранилищах постоянно меняются и зависят во многом от изменения величины естественного притока воды, испарения, сгонов и нагонов под воздействием ветра, сбросов воды в нижний бьеф и потерь ее на фильтрацию.

Для каждого водохранилища путем выполнения водохозяйственных расчетов устанавливаются следующие характерные уровни воды, имеющие постоянные высотные отметки:

ФПУ – форсированный подпорный уровень;

НПУ – нормальный подпорный уровень;

УНС – уровень навигационной сработки;

УМО – уровень мертвого объема.

Уровень навигационной сработки (УНС) – это наинизший уровень воды, допускаемый в водохранилище в период навигации, при этом учитывается необходимость поддержания судоходных глубин.

Уровни воды в верхнем и нижнем бьефах вблизи плотины обозначают соответственно УВБ и УНБ. Разность УВБ и УНБ называют напором и обозначают (Н). Максимальный уровень верхнего бьефа, который можно держать сколь угодно долго в условиях нормальной эксплуатации, принято обозначать НПУ — нормальный подпорный уровень, а минимальный УМО — уровень мертвого объема. Часть объема водохранилища между НПУ и УМО называют полезным, ниже УМО — мертвым объемом; форсированный подпорный уровень (ФПУ) — это уровень, до которого временно допускается заполнение водохранилища в период пропуска катастрофических половодий и паводков, что является чрезвычайными условиями эксплуатации ГТС. Годовые колебания уровней воды в водохранилищах при регулировании стока составляют несколько метров.

Колебания уровней воды во многом зависят от вида регулирования стока водохранилища и количества поступающей воды при весеннем половодье. Обычно в весенний период водохранилище наполняется стоком талых вод и уровень воды повышается. В течение лета и зимы происходит сработка воды и снижение судоходных глубин.

Нагоны-сгоны. Течения перемещают массы воды от подветренного берега к наветренному. В результате этого перемещения у наветренного берега происходит подъем уровня (нагон) у подветренного – понижение уровня (сгон). В связи с разницей уровней водная поверхность становится наклонной.

В результате разности уровней в глубине водоема образуется обратное — компенсационное течение, встречающее сопротивление дна и поэтому имеющее меньшую скорость, чем поверхностное течение. Нагон происходит до того, пока разность в уровнях не усилит компенсационное течение настолько, что между ним и поверхностным течением установится скоростное равновесие, и уровень воды получит определенный уклон.

У глубоких водоемов влияние дна на компенсационное течение меньше, чем у мелких, поэтому компенсационное течение у первых водоемов несколько сильнее и быстрее приходит в равновесие с поверхностным. Этим обусловлено то, что у глубоких водоемов величина нагона воды меньше, чем у мелководных. Нагоны особенно велики в узких и мелких заливах, вытянутых по направлению ветра.

Величина нагона зависит от силы ветра и характера берега. Например, на Цимлянском водохранилище нагоны у берегов достигают 20—60 см. Нагоны вдоль водохранилища составляют 70—100 см.

При ориентировочных расчетах разность уровней , м, зеркала водохранилища при стонах и нагонах можно определить по формуле Л. С. Кускова

,

2.1

где D — длина разгона волн, м; Н — средняя глубина водоема в пределах разгона, м; w — скорость ветра на высоте 10 м от поверхности воды, м/с; α—угол между направлением ветра и продольной осью водохранилища.

Опасность для судоходства представляют сгоны, которые могут вызвать посадку судов на грунт. Величина сгонов может приближенно приниматься равной величине нагонов. При плавании вблизи берегов необходимо учитывать влияние на глубину сгонов и нагонов воды.

Колебательные движения всей массы воды в водохранилище или озере называют сейшами. Поверхность воды при этом приобретает уклон то в одну, то в другую сторону. Ось, вокруг которой колеблется поверхность водоема, называется узлом сейши. Сейши могут быть одноузловые (рис. 2.11, а), двухузловые (рис. 2.11, б) и т. д.

а б

Рис. 2.11. Сейши

Сейши образуются в том случае, когда силы, обусловленные метеорологическими факторами, создают периодические импульсы, которые, попадая в резонанс с колебаниями водной массы водохранилища, постепенно раскачивают воду.

Сейши возникают при резких изменениях атмосферного давления, прохождении грозы, при резких изменениях силы и направления ветра, способных раскачать массу воды. При сейшах происходят колебательные движения всей массы воды, причем воды приобретает уклон то в одну, то в другую сторону. Сейши более устойчивы в глубоких водоемах. Траектории частиц воды в сейшах подобны траекториям, наблюдаемым в стоячих волнах.

Чаще всего сейши имеют высоту от нескольких сантиметров до метра. Периоды колебаний сейш могут быть от нескольких минут до 20 ч и более. Например, в приплотинной части Цимлянского водохранилища наблюдаются одноузловые сейши с периодом 2 ч и высотой 5—8 см.

Отбойные течения (тягун) — самый опасный из всех видов прибрежных течений. Тягун образуется в результате оттока воды принесенной к берегу волнами.

Тягун представляет собой резонансные волновые колебания воды в портах, бухтах и гаванях, вызывающие циклические горизонтальные движения судов, стоящих у причалов. Период колебаний воды при тягуне от 0,5 до 4,0 мин.

Тягуны создают длиннопериодные стоячие волны, где частицы воды движутся по орбитам узлов. Однако под вершиной и подошвой волны движение их направлено вертикально. Период колебания поверхности воды и скорость движения частиц зависят в основном от конфигурации берегов и глубины бассейна.

Порт не является полностью замкнутым бассейном, он сообщается с открытым водоемом или морем сравнительно узким проходом. Любое колебание воды в этом проходе под действием внешних сил вызывает собственные колебания воды в бассейне. Внешними силами могут быть:

• послештормовая долгопериодная зыбь; барические волны, возникающие после быстрого выхода циклона и антициклона с моря на сушу;

• внутренние волны, образующиеся под действием штормов в открытом море или озере, которые, приближаясь к мелководью, выходят на поверхность и проникают на акваторию порта. Если период внешней силы близок к периоду собственных колебаний воды портовой акватории, то эти колебания быстро нарастают и достигают наибольшей величины. После прекращения действия внешних сил колебания затухают.

В зависимости от того, в какой точке тягуна находится судно, оно испытывает или горизонтальные, или вертикальные перемещения. Если размеры судна и места крепления швартовов таковы, что период его собственных колебаний близок или совпадает с периодом сейш, то возникают сильные резонансные движения. Причем рядом может находиться судно, которое практически не испытывает действие тягуна, так как оно отличается от первого размерами, массой, периодами качки и собственных колебаний.

Во время тягунов пассажирские суда вынуждены отходить на рейд, так как стоянка у причалов становится невозможной, а грузовые — прекращать погрузо-разгрузочные работы. Тягуны воздействуют на суда неодинаково, поэтому необходимо знать их параметры в данном порту, период колебаний воды в акватории, а также особенности поведения своего судна при тягуне.

При изменении объема воды (прихода и расхода), а также при движении водной массы в водохранилищах происходят колебания уровней воды. Чем больше изменение водного объема, тем больше амплитуда колебаний уровня воды (она может быть от 2—3 см и до нескольких метров).

Величина колебаний уровня воды во многом зависит от площади и характера берегов водоема. В течение года в отдельных климатических зонах периоды колебаний уровня бывают различны. В северных широтах наибольшие колебания бывают в начале лета и наименьшие в конце весны. На северо-западе европейской части РФ в течение года максимальные уровни наблюдаются весной и осенью, а минимальные — зимой и летом. В озерах средней части Сибири (например, на Байкале) наибольший уровень наступает летом, а наименьший осенью, зимой и весной.

В многолетних колебаниях уровня прослеживается цикличность, связанная с изменением солнечной активности и сменой эпох атмосферной циркуляции. Исследованиями выявлены вековые и многовековые циклы продолжительностью 80—90 лет и 1800—1900 лет.

Они вызываются изменениями условий питания озер. В связи с колебаниями количества атмосферных осадков, летних температур воздуха, испарения и т. д. иногда несколько лет подряд наблюдаются многоводные или маловодные годы. При тектонических процессах может происходить поднятие или опускание озерной котловины, что также сказывается на уровенном режиме озера. Многолетняя амплитуда колебаний уровней различна и может составлять несколько метров.