Геологическая деятельность водохранилища

На состояние свободной поверхности водохранилищ вследствие большой площади их зеркала сильное влияние оказывает ветер. Кинетическая энергия воздушного потока посредством сил трения на поверхности раздела двух сред передается массам воды. Одна часть переданной энергии расходуется на образование волн, а другая идет на создание движения поверхностных слоев воды в направлении ветра. В водоемах ограниченных размеров также перемещение водных масс приводит к наклону свободной поверхности. У наветренного берега уровень воды понижается и возникает ветровой сгон, уподветренного берега уровень повышается и возникает ветровой нагон. Разности уровней достигают у подветренного и наветренного берегов 1 м и более. При длительном ветре перекос становится стабильным. Массы воды, которые подводятся к подветренному берегу ветровым течением, отводятся в обратную сторону придонным градиентным течением.

В водохранилищах также наблюдается абразивная работа вод, но в них она происходит более интенсивно. Это объясняется тем, что речные долины, в которых создаются водохранилища, образовались под действием речной эрозии и их профиль не соответствует новым условиям, которые возникают при заполнении почти всей долины водой. Водохранилища стремятся выработать новый профиль берегов, и размыв вдоль рек береговой линии происходит особенно интенсивно. Переработка берегов и формирование чаши водохранилища – сложный процесс, в котором принимает участие ряд факторов, различных по своей значимости. Его действие проявляется в волнах, течениях и периодических колебаниях уровня воды в водохранилище.

Для руслового процесса в водохранилищах характерны три основных явления: аккумуляция наносов, деформация берегов и занесение входов в заливы и бухты.

Аккумуляция наносов - прямое следствие падения скоростей течения при переходе от речного потока к водоему с малыми, часто близкими к нулю скоростями. Весь сток русловых наносов реки, на которой создано водохранилище, и весь сток русловых наносов рек, впадающих в водохранилище, остается в чаше водохранилища. Оседает в водохранилище и значительная часть наносов, транспортируемых реками во взвешенном состоянии. Таким образом, с течением времени чаша водохранилища заполняется наносами. У горной реки объем годового стока наносов может быть соизмерим с объемом водохранилища. Для подавляющего большинства водохранилищ на равнинных реках процесс отложения наносов опасности не представляет, так как объем годового стока наносов у них составляет малую долю объема водохранилища.

Следует учитывать такое частное проявление процесса аккумуляции наносов как повышение гребней перекатов в верховой зоне водохранилища. На рис. 21.2 показаны продольные профили свободной поверхности водохранилища при НПУ и УНС, а также продольные профили свободной поверхности реки при большом весеннем и при меженном расходах воды в естественном состоянии. При большом расходе воды подпор от гидроузла выклинивается в зависимости от высоты уровня у плотины между точками 1 и 2. С переходом к меженным расходам подпор распространяется значительно выше по реке - участок выклинивания находится между точками 3 и 4. Зона водохранилища, расположенная между весенним (1-2) и меженным (3-4) участками выклинивания, представляет собой зону переменного подпора: при больших весенних расходах движение потока здесь такое же, как в естественных условиях, а с уменьшением расходов воды эта зона попадает в подпор. Поэтому отложение наносов на перекатах в период высоких уровней происходит здесь так же, как в реке. Однако размыва отложений не происходит, так как при надвижении подпора скорости течения резко уменьшаются. В результате наносы на перекатах из года в год накапливаются и гребни перекатов растут. После нескольких годовых циклов рост гребней затухает; достигается состояние равновесия между потоком и руслом, которому отвечают более высокие отметки гребней перекатов, чем при естественном режиме.

Рис. 21.2. Отложение наносов на перекатах в зоне переменного подпора:

1, 2 - русловые границы участка выклинивания подпора в половодье;

3, 4 - то же, в межень

Переработка берегов идет наиболее интенсивно в первые годы эксплуатации водохранилищ, а затем постепенно затухает. Период активной переработки берега занимает обычно от 5 до 10 лет, а для стабилизации берега требуется 20-30 лет. Характер переформирования берегов показан на рис. 21.3. Разбиваясь о береговой склон, волны подмывают берег примерно на высоте нормального подпорного уровня. Надводный откос обрушается, часть обрушившегося материала, состоящая из мелких частиц, взвешивается в волноприбойной зоне и может быть унесена далеко от места обрушения. Однако большая часть материала остается на месте, формируя подводный пляж. Процессы подмыва и обрушения берега прекращаются тогда, когда ширина пляжа становится настолько большой, что, вкатываясь по пляжу, разбитая волна теряет свою кинетическую энергию.

Рис. 21.3. Переформирование берегового склона:

ACE -профиль берега до затопления чаши водохранилища;

abde - то же после переработки волнением;

B1 -ширина пляжа; B2 - отсутствие береговой линии

Ледовый режим водохранилищ и нижних бьефов гидроузлов отмечается такими особенностями, как большая толщина льда, позднее освобождение ото льда, существование протяженной полыньи в нижнем бьефе в течение всего зимнего периода (например, полынья Красноярской ГЭС).

Гидроэнергетика, основанная на регулировании стока рек, оказывает негативное влияние на природную среду не только в водохранилищах, но и в нижних бьефах. Из-за снижения уровней воды в половодье и уменьшения его продолжительности влажные, прежде плодородные, богатые растительностью поймы превращаются в сухую степь, исчезают рыбные нагульные площади. С ростом в придонной области скорости потока и усилением его турбулизации зона размыва русла в нижнем бьефе постоянно перемещается вниз от гидроузла. Например, ниже Новосибирской ГЭС эта зона вначале распространилась на 30 км, а за 40 лет зарегулированного стока увеличилась до 140 км.