Зимний режим водохранилищ и его определяющие факторы

Гидрология

ГИДРОЛОГИЯ

УДК 556.535, 556.555

В.Г. Калинин

ЗИМНИЙ РЕЖИМ ВОДОХРАНИЛИЩ И ЕГО ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ФАКТОРЫ

Пермский государственный национальный исследовательский университет,

Доказывается необходимость рассмотрения водного и ледового режимов водохранилищ, представ -ляющих собой сложную совокупность гидрофизических процессов, как единого целого - зимний ре -жим. Предложено определение и структурная схема формирования зимнего режима.

В зимний период гидрологический режим водохранилищ главным образом формируется климатическими процессами на какой-либо территории. Во-первых, это воздействие солнечной радиации, интенсивность которой определяет тепловые характеристики водоема; во-вторых, это увлажнение бассейна в определенный период года, что в свою очередь влияет на режим приточности к водохранилищу с водосбора и расходования воды через ГЭС при антропогенном регулировании.

Пространственно-временное изменение поступления и расходования воды определяет водный режим водохранилища, а изменение тепловых характеристик водных масс - его ледово-термический режим. Водный режим водохранилища, в свою очередь, оказывает влияние на формирование скоростей течения, водообмен, транспорт наносов, а в комплексе с ледово-термическим режимом - на гидрохимический, гидробиологический и другие режимы водоема.

Из отмеченных причинно-следственных связей определяющими режимами функционирования во -дохранилищ в зимний сезон являются водный и ледово-термический, находящиеся между собой в тесном и непрерывном взаимодействии. Следует отметить, что в этот период термический режим во -дохранилища, а именно процессы теплообмена, определяющие положительный или отрицательный тепловой баланс и соответственно образование или разрушение ледяного покрова, в значительной степени являются фактором формирования ледового режима. Это дает возможность рассматривать основные составляющие (водный и ледовый) зимнего режима водохранилищ как единое целое на основе исследования комплексного влияния факторов его формирования.

Анализ многочисленных публикаций показал, что обобщающих работ по зимнему режиму водохранилищ практически нет, а основные его составляющие рассматриваются обычно раздельно. Кроме того, недостаточно изучена пространственно-временная изменчивость формирования зимнего режима в разных районах и участках водохранилищ, различающихся своими морфологическими особенностями. Не проводилось исследований и типизации уровенного режима в зимний период, пере -мещения зоны переменного подпора, образования площадей обсыхания ледяного покрова, характера их изменения в разных частях водохранилища, а также влияние на них формы ложа.

Водный и ледовый режимы представляют собой сложную совокупность гидрофизических процессов, формирующихся под воздействием одних и тех же факторов, из числа которых ведущая роль принадлежит климату (см. рисунок). По характеру влияния климатические факторы определяют норму различных характеристик водного и ледового режимов, а метеорологические - их многолетнюю изменчивость [2].

Из всего многообразия факторов, одновременно действующих на водный и ледовый режимы, еле -дует выделить три основных, которые по степени важности располагаются в следующей последовательности: температура воздуха, режим притока воды и регулирования ее стока через ГЭС, особенности морфометрии, а именно: соотношение глубоководной, мелководной и прибрежной зон участков водохранилищ.

* Калинин В.Г., 2012

Структурная схема исследования зимнего режима водохранилищ и определяющих его факторов

Гидрология

В зимний сезон под воздействием отрицательных температур воздуха водный режим водохранилищ значительно меняется, поскольку реки их водосборов переходят полностью на грунтовое питание, соответственно, исключаются такие составляющие баланса, как осадки и испарение. Это приводит к постепенному истощению стока рек - основного фактора формирования водного режима водохранилищ (в особенности регуляторов каскада).

На водохранилищах с сезонным регулированием стока наступает фаза зимней сработки, из-за естественного уменьшения приточности на фоне продолжающегося расходования воды для целей энергетики и водоснабжения. Следствием понижения уровня воды является образование значительных площадей обсыхания ледяного покрова, отдельных замкнутых котловин - потенциальных замор-ных ям, перемещение зоны переменного подпора, изменение конфигурации береговой линии и характеристик ложа участков водохранилищ (см. рисунок).

Под воздействием отрицательных температур воздуха часть воды расходуется на формирование сплошного ледяного покрова, что является важной составной частью зимнего режима водохранилищ, определяющей сроки окончания и начала навигации, функционирование ледовых переправ.

Основным антропогенным фактором, оказывающим влияние на зимний режим водохранилищ, является режим регулирования стока водохранилищами (исходя из планов их эксплуатации), который в значительной степени определяет сроки начала и окончания, характер, интенсивность и величину зимней сработки уровня воды в конкретном году. Это, в свою очередь, определяет размеры площадей обсыхания ледяного покрова и др. Кроме того, интенсивность понижения уровня воды приводит к возникновению перенапряжений в ледяной плите, появлению трещин, выходу воды на лед и ее замерзанию. Следствием этого является характерное для водохранилищ образование снежного льда в его структуре.

На формирование зимнего режима водохранилищ, в комплексе с климатическими, метеорологиче -скими условиями и режимом регулирования, значительное влияние оказывают особенности формы рельефа ложа водохранилищ, которые существенно трансформируют воздействие природных и антропогенных факторов, а также характер их проявления в морфологически разных частях водохранилищ. Так, соотношение глубоководной, мелководной и прибрежной зон в пределах участков оказывает влияние на размеры площадей обсыхания ледяного покрова, возникновение замкнутых котловин, сроки и продолжительность периода формирования ледовых явлений, интенсивность нарастания толщины льда и их пространственное распределение (рисунок).

Наряду с перечисленными факторами, процессы теплообмена, происходящие в водохранилищах в осенне-весенний и зимний периоды, формируются под воздействием гидрометеорологических уело -вий (уровень и скорость течения воды, разница температуры воды и воздуха, скорость ветра, солнеч -ная радиация) и антропогенных факторов (сбросы промышленных и подогретых вод, ледокольные работы).

Отмеченное комплексное влияние основных факторов на формирование зимнего режима водохранилищ свидетельствует о его целостности.

Впервые понятие зимнего режима водного объекта приведено в «Сборнике определений...» [3] в общем определении гидрологического режима: «Совокупность изменений в состоянии водного объекта, происходящих в течение зимнего периода при наличии ледовых явлений, называют зимним режимом». В «Гидрологическом словаре» [4] это определение видоизменилось: «Зимний режим - совокупность процессов, происходящих в водных объектах в период преобладания отрицательных температур воздуха». Но при этом нигде не раскрывается эта совокупность. В ГОСТе [1] понятие «зимний режим» вообще отсутствует. Приводятся лишь отдельные определения гидрологического, водного, ледового режимов водных объектов.

Следует отметить, что по «ГОСТу...» [1] под водным режимом понимается изменение во времени уровней, расходов и объемов воды в водных объектах. Следовательно, для рек - это изменение во времени уровней и расходов, а для озер и водохранилищ - уровней и объемов. В то же время, отличительной особенностью искусственных водных объектов суши - водохранилищ с сезонным регулиро -ванием стока, является наличие фазы сработки, в процессе которой происходят изменения формы и размеров самого водоема (конфигурации береговой линии, появления значительных площадей обсы -хания ледяного покрова, перемещение зоны переменного подпора), основных морфометрических характеристик районов и участков. Все это оказывает существенное влияние на условия формирования гидрологического режима водохранилища в целом. Поэтому целесообразно уточнить определение зимнего режима применительно к водохранилищам, не претендуя на окончательность формулировки.

Гидрология

Зимний режим водохранилищ - это совокупность процессов формирования режима уровня воды (результирующей баланса притока воды с водосбора и ее расхода через ГЭС) и связанных с ним изменений морфометрических характеристик ложа на фоне возникновения, развития и разрушения ле -дяных образований под воздействием природных и антропогенных факторов в период с отрицатель -ными температурами воздуха.

Библиографический список

V G. Kalinin

RESERVOIRS WINTER REGIME AND ITS DETERMINANTS

The necessity of consideration of reservoirs water and ice regime, which are a complex set of hydrophysical processes as a whole - a winter regime. Proposed definition and block-diagram of the winter regime.