Особенности зимнего термического режима каналов и нижних бьефов гидроузлов

Температурный режим участков рек ниже гидроузла и каналов характеризуется следующими общими чертами, значительно отличающими его от температурного режима водохранилища. Различия эти состоят:

• в быстрых изменениях температуры воды в водотоке и ее сильной зависимости от предшествующих метеорологических условий; теплопроводность воды полностью определяется турбулентностью потока;
• в сложности и многообразии ледового режима водотока, в том числе из-за интенсивного образования внутриводного льда и шуги, а также движения кромки ледяного покрова;
• в отсутствии выраженной температурной стратификации (разность температур по глубине мала) водной массы в поперечном сечении и наличии пренебрежимо малого градиента температуры по длине потока.

Для нижних бьефов гидроэлектростанций независимо от периода годового цикла происходят характерные изменения температуры воды по длине бьефа. В безледоставный период она изменяется от температуры воды, поступающей в нижний бьеф из верхнего (водохранилища), до установившейся температуры, соответствующей теплообмену потока с атмосферой. В зимний период по длине нижнего бьефа вода охлаждается до 0°С, а затем в зависимости от гидрометеорологических условий переохлаждается до величины максимального переохлаждения, образований внутриводного льда, выделения теплоты кристаллизации, сброса переохлаждения и формирования кромки ледяного покрова. Влияние смены периодов и фаз годового термического цикла водохранилища сказывается на величине начальной температуры, поступающей в нижний бьеф, и на соотношении между тепловыми потоками у поверхности воды и у дна.

Вследствие того, что вода в водохранилище осенью обладает большим запасом тепла, осеннее охлаждение воды в нижнем бьефе отстает по сравнению с естественными условиями, например, на крупных водохранилищах Сибири на 10-15 дней. В весенне-летний период вода в нижних бьефах холоднее, чем в естественных условиях вследствие более медленного прогревания водных масс водохранилищ. Так, температура воды Енисея ниже плотины Красноярской ГЭС в летний период стала на 8-10°С ниже, чем до зарегулирования реки, и, наоборот, повысилась на 4-5°С в осенние месяцы, что создало определенные трудности при освоении прилегающей территории. Причем, Красноярское водохранилище вследствие его глубоководности оказывает в 4-5 раз большее влияние на термический режим нижнего бьефа, чем, например, мелководное Новосибирское (Л.К.Малик, 1990г.).

На температуру воды в нижнем бьефе ГЭС также большое влияние оказывает проточность водохранилища и схема забора воды к турбинам ГЭС. Чем больше проточность, тем ниже температура воды, поступающей в нижний бьеф. Забор воды к гидроагрегатам, в первую очередь, высоконапорных ГЭС из глубоких слоев стратифицированнго водохранилища (например, Красноярского, Братского или Колымского), температура в которых в течение года изменяется в незначительных пределах (3-8°С) и отличается от температуры воды в поверхностных слоях водохранилища в летний и зимний периоды и от температуры воды в реке в бытовых условиях, также обусловливает изменение температурного режима реки за гидроузлом. Если же производить забор воды к турбинам ГЭС посредством специальных конструкций (селективный водозабор) из поверхностных слоев водохранилища, то при определенных условиях температурный режим за гидроузлом будет приближен к режиму, существовавшему в реке до возведения гидроузла.

Изменения в термическом режиме реки в результате гидротехнического строительства по сравнению с естественными условиями влияют на работу не только самого гидроузла, но и сооружений водохозяйственного назначения (водозаборов питьевого и промышленного назначения и т.д.), водного транспорта, расположенных в зоне термического влияния ГЭС, а также на качество воды и климат региона.

Канал, как искусственный водоток, отличается от реки (естественного водотока) рядом особенностей: постоянством сечения русла по длине, возможностью регулирования гидравлических характеристик в процессе эксплуатации (заданием постоянного расхода, а также необходимой скорости его изменения), определенностью температурных условий в голове канала, незначительной температурной стратификацией воды по трассе канала.

В отличие от условий рек термический режим каналов подвержен влиянию работы насосных станций, организованных перепадов и других сооружений, определяющих гидравлику потока и, следовательно, условия перемешивания воды. С помощью работы перегораживающих сооружений систему канала можно привести к условиям близким к речным и к условиям близким к условиям неглубоких слабопроточных водохранилищ.

Термический режим каналов большой и средней протяженности и входящих в их систему водохранилищ зависит также от географического расположения трассы канала, особенно при пролегании ее в меридиональном направлении, когда канал пересекает различные природно-климатические зоны.

При наступлении отрицательных температур воздуха и появлении в канале или на отдельных его участках шуги и льда канал может быть разбит условно на три термических участка (см. рис.8 в Практическом занятии №8).

При понижении температуры воздуха интенсивность охлаждения воды в открытом канале увеличивается, что приводит к наступлению кромки льда; протяженность участка канала, покрытого льдом, увеличивается. При потеплении наблюдаются обратные процессы, связанные с отступлением кромки льда.