Ледотермический режим нижнего бьефа ГЭС

Строительство на реке водохранилища, как правило, является причиной существенного изменения гидрологического, а в его рамках и ледового режима участка водотока ниже гидроузла. В самом водохранилище и в определенной мере в русле реки ниже гидроузла изменяются морфологические и гидравлические условия, которые совместно с климатическими и метеорологическими факторами определяют ледовый режим водотока в нижнем бьефе (рис. 7.1).

Возникновение и развитие ледовых явлений и процессов в водотоке ниже гидроузла существенным образом зависят от размеров водохранилища и его функционального назначения. В нижних бьефах комплексных и энергетических гидроузлов на характер развития ледовых процессов сильно влияет режим работы гидроэлектростанций, обеспечивающих покрытие пиков графика нагрузки энергосистемы, а также других водосбросных сооружений гидроузла.

В период ледостава сброс воды из водохранилища в нижний бьеф производится через глубинные водоводы, вследствие чего температура воды ниже плотины составляет 1,5-5,0°С и для ее охлаждения до температуры замерзания необходимо некоторое время, зависящее от условий теплообмена речного потока с атмосферой. На интенсивность этого процесса влияют метеорологические факторы (температура и влажность воздуха, скорость ветра), а также скорость течения и колебания глубины вследствие энергетических попусков воды ГЭС. Поэтому в нижнем бьефе гидроузлов практически всех водохранилищ России зимой существует открытый участок водной поверхности реки (полынья), протяженность которой изменяется в зависимости от расхода воды и интенсивности ее теплоотдачи. Зимой в морозную погоду полыньи являются “фабриками” шуги и туманов. Шуга, образовавшаяся на переохлажденном участке открытой водной поверхности перед кромкой ледяного покрова, при определенных условиях может подныривать под лед и скапливаться ниже по течению реки, формируя зажор, приводящий к повышению уровня воды и выходу ее на лед с последующим образованием наледей и развитием зимних наводнений. К отрицательным последствиям приводит и туман, вызывающий в морозную погоду обледенение окружающей территории на расстояниях в десятки километров.

Отмеченные ледотермические явления характерны особенно для сибирских (в условиях устойчивого зимнего антициклона) и горных рек. Так, на Енисее ниже Саяно-Шушенского гидроузла длина полыньи (до сооружения Майнской ГЭС) достигала 140км, ниже Красноярской ГЭС в разные годы она колебалась от 40 до 220км и более (до 500км). На Новосибирском гидроузле длина полыньи колеблется от 10 до 30км, на Хантайском – от 10-15км (в суровые зимы) до 30-35км (в теплые зимы), на Курейском – от 4 до 20км, на Усть-Илимском – более 40км, на Вилюйском – от 30 до 80км. Сооружение Иркутского водохранилища создало условия для замерзания естественной полыньи, всегда существовавшей в истоке Ангары. После строительства гидроузла размеры полыньи в нижнем бьефе Иркутской ГЭС колеблются от 4 до 49км, что намного меньше прежде формировавшейся в истоке Ангары. В тоже время после заполнения Воткинского водохранилища на Каме полынья в нижнем бьефе Камской ГЭС сократилась с 13-30 до 1,5-15км, и у г.Перми восстановился устойчивый ледостав.

Нередко ниже основной кромки льда образуются вторичные полыньи, например, на перекатах. Ниже Вилюйских ГЭС вторичная полынья при больших скоростях течения на перекатах располагается в 200 км от плотины.

Участок нижнего бьефа, находящийся в зоне пульсации кромки ледяного покрова, характеризуется неустойчивым ледовым режимом. Под влиянием суточного и недельного регулирования стока ГЭС здесь в течение зимнего периода происходит смена ледовых явлений – чередование ледостава с ледоходом и шугоходом. Кроме того, во время повышенных попусков на ГЭС в результате нарушения гидродинамической устойчивости и срыва кромки ледяного покрова в нижнем бьефе может происходить образование заторов льда, сопровождающееся подъемом уровня воды и возможным развитием зимнего наводнения.

Согласно рекомендациям [10,30] следует различать три основных ледотермических режима водотока (рис.7.2):

• в период зимних похолоданий, когда происходит перемещение кромки ледяного покрова вверх по течению (режим наступления кромки); режим имеет место, когда створ нулевой изотермы расположен выше кромки льда, и сопровождается уменьшением длины полыньи;
• в период зимних оттепелей или весенних потеплений, когда происходит отступление кромки ледяного покрова; режим имеет место, когда к кромке подходит вода с положительной температурой, и сопровождается увеличением длины полыньи;
• в стабильных метеоусловиях, когда кромка ледяного покрова не перемещается (режим стабилизации кромки).

С точки зрения влияния водохранилища на термические условия и развитие ледовых явлений и процессов в нижних бьефах гидроузлов водоток ниже плотины можно разделить на характерные участки.

В режиме наступления кромки нижний бьеф можно разделить на следующие участки (рис.7.3): 1 – охлаждения воды от сброса до створа нулевой изотермы; 2 – от створа нулевой изотермы до створа начала внутриводного ледообразования; 3 – от створа начала внутриводного ледообразования до створа максимального переохлаждения; 4 – от створа максимального переохлаждения до створа наибольшей интенсивности шугообразования; 5 – от створа наибольшей интенсивности шугообразования до створа полного покрытия поверхности воды шугой и повышения температуры воды до 0°С; 6 – от створа полного покрытия поверхности воды шугой до створа формирования устойчивого ледяного покрова.

В режиме стабилизации кромки сохраняются участки 1 и 6. В режиме отступления кромки имеются три участка: 1 – охлаждения воды от сброса до температуры воды у кромки (0°С); 2 – охлаждения воды под ледяным покровом до 0°С; 3 – от створа нулевой изотермы вниз по течению.

К основным элементам ледотермического режима нижнего бьефа относятся: температура воды, расход шуги, длина полыньи, толщина льда. Практический интерес представляет расчет этих элементов, а также определение координат характерных створов.   

Из формулы (6.6) при t =0°С можно найти условие для определения координаты створа нулевой изотермы

                          X_o = c_вr_в Q/(a₁×b)× ln(1- t_НБ/J_э),                      (7.1)

полученное решением уравнения теплового баланса движущегося отсека жидкости (6.1) для установившегося гидравлического режима и постоянных морфометрических характеристик русла. В формуле (7.1) a₁ - коэффициент теплообмена воды с воздухом, J_э - эквивалентная температура воздуха, b - ширина потока в нижнем бьефе, t_НБ - температура воды, поступающей в нижний бьеф.

Если по длине нижнего бьефа имеются забереги, то вместо ширины русла b в формулу (7.1) подставляется величина b_НБ:

b_НБ = b-b_З ,                                               (7.2)

где ширина заберегов b_З рассчитывается по формуле Р.А.Нежиховского

b_З = b(1-m),                                            (7.3)

в которой m=0,42u^0,2+К; коэффициент К для русел с мелководными зонами и пологими берегами равен 0,525, при отсутствии мелководных зон и крутых берегах К= 0,465.

На шугообразующем участке, когда имеет место всплытие шуги, дифференциальное уравнение теплового баланса для определения средней по глубине температуры воды имеет вид

c_вr_в Qdt/dx=a₁×b(t -J_э)×(1-b_ш)- sr_шVh_шb_ш,                    (7.4)

где h_ш - толщина шуговых скоплений, определяемая по (7.5), b_ш - коэффициент покрытия водной поверхности шуго-ледяными образованиями, r_ш - плотность шуги, s - удельная скрытая теплота ледообразования.

h_ш = h_нb_ш,                                                  (7.5)

где h_н - минимальная устойчивая толщина льда на кромке.

Координата створа наибольшей интенсивности шугообразования определяется из условия

dS_ш/dx=0,                                                (7.6)

где S_ш - интенсивность шугообразования

S_ш=a₁×b(t -J_э)×(1-b_ш).                                           (7.7)

В случае, когда кромка льда в режиме ее стабилизации совпадает с положением нулевой изотермы, длину полыньи (расстояние от створа гидроузла до кромки льда) следует рассчитывать по формуле (7.1). Для режимов наступления и отступления кромки, в том числе с учетом воздействия тепловых стоков и снегопадов, расчет длины полыньи производится согласно методике [30, 31], а в условиях суточного и недельного регулирования мощности на ГЭС - [46].

Для действующих ГЭС начальное положение кромки льда определяется по данным натурных наблюдений.

Для проектируемых ГЭС или в случае отсутствия данных о начальном положении кромки при проведении поверочных расчетов для действующих ГЭС начальное положение кромки льда рассчитывается по формуле

                          X_к.н. =2 h_н×s_л r_ш V/(a₁× (-J_э))× Х_Н   + X_o,          (7.8)

где Х_Н - безразмерный параметр, определяющий соотношение между интенсивностью теплообмена воды с атмосферой и объемной скрытой теплотой кристаллизации, которая выделяется при образовании шуги, формирующей кромку, при толщине льда на кромке h_н, в единицу времени; параметр Х_Н находится по графику на рис.7.4 либо по известному предледоставному расходу шуги Q _ш.0, либо по ширине заберегов в предледоставный период b_З, измеренной у створа, ближайшего к кромке льда.

Если задан предледоставный расход шуги Q _ш.0, то следует рассчитать параметр

П _Q = Q _ш.0 / (b_НБ V h_н)                                    (7.9)

и по известному значению параметра П _Q и по графику Q _ш(Х) (рис.7.4) найти Х_Н.

Если задана ширина заберегов b_З, то следует определить степень покрытия шугой водной поверхности вблизи кромки льда в предледоставный период

                                                                  b _ш.0 = 1 - b_З / b                             (7.10)

и по известному значению b _ш.0 и графику b _ш.(Х) на рис.7.4 найти параметр Х_Н.

Условия существования того или иного режима движения кромки ледяного покрова представлены в табл. 7.1.

Таблица 7.1