Гидравлика, гидрология и метеорология (стр. 37 )

По строению котловин различают водохранилища  о з е р н о г о  и р е ч н о г о  типов. Первые расположены в озеровидных расширениях речных долин или возникают при затоплении нескольких речных долин и их водоразделов. Вторые представляют собой затопленные участки сравнительно узких речных долин и делятся на два подтипа: при затоплении поймы до коренных берегов (или террас) водохранилище называется  д о л и н н ы м; при затоплении русла и небольшой части поймы – р у с л о в ы м.

В каждом крупном водохранилище выделяются характерные части котловины, отличающиеся по морфологическим особенностям и по некоторым чертам режима расположенных в них водных масс.

Н и ж н я я, п р и п л о т и н н а я  (о з е р н а я), часть глубоководна при любой отметке уровня. Скорости течений невелики и меняются с направлением ветра, особенно в межень. Взвешенных наносов мало. В профундали наносы мелкие, у берегов – крупные. Волнение сильное и при прочих равных условиях больше, чем в остальных частях водоема. Дно за исключением прибрежной части не подвержено воздействию волн. Переработка берегов активная.

С р е д н я я  (о з е р н о-р е ч н а я) часть глубоководная только при высоких уровнях; при сработке вода полностью не входит в меженное русло и пойма остается затопленной. Продольные течения сказываются сильнее, чем в нижней части, но подвержены изменениям под воздействием ветра. Волнение воды и переработка берегов слабее, чем в нижней части. При сработке глубина уменьшается настолько, что все дно практически находится под воздействием волн и быстро нивелируется.

В е р х н я я  (р е ч н а я) часть: при высоких уровнях – мелководный озеровидный водоем; при низких – вода большей частью входит в меженное русло, но подпор сохраняется. Большие глубины бывают только в русле. Продольные скорости течения значительны. Крупные наносы отлагаются ближе к середине. Волнение слабое и переработка берегов либо отсутствует, либо мала.

Основные морфометрические показатели водоема. Имея крупномасштабный план водоема, можно определить следующие морфометрические показатели его поверхности: площадь зеркала (f0) и площади, ограниченные изобатами (f1 , f2 , f3 , . . . , fn), длину (L), ширину (В), длину развития береговой линии ( l ), коэффициент развития береговой линии (кр).

Первые два показателя определяются достаточно точно способом планиметрирования. Длина водоема L – это кратчайшее расстояние между двумя наиболее удаленными точками береговой линии, измеренное по его поверхности. Длина может изображаться на плане водоема прямой или ломаной линией, не выходящей за пределы водоема.

С р е д н я я  ш и р и н а Вср = f0 / L; м а к с и м а л ь н а я  ш и р и н а Вmax – наибольшее расстояние между берегами по перпендикуляру к длине водоема.

Д л и н а  б е р е г о в о й  л и н и и  l измеряется по урезу воды (нулевой изобате). Р а з в и т и е  б е р е г о в о й  л и н и и  характеризуется отношением ее длины к периметру круга, имеющего площадь, равную площади зеркала водоема:

.                        (13.1)

О б ъ е м  в о д о е м а V может быть определен путем отождествления всей котловины его или отдельных ее частей с правильными геометрическими телами (конусом, пирамидой и пр.) или путем суммирования объемов фигур, построенных на площадях fi, ограниченных изобатами (рис. 13.1).

Рис. 13.1. План озера в изобатах

В последнем случае

.  (13.2)

У д е л ь н ы й  в о д о с б о р  Fуд – отношение площади водосбора F к площади зеркала водоема f0.

13.3. Водный баланс и уровни воды

Приход и расход воды озера может быть представлен в виде уравнения водного баланса, которое составляется для  определенного периода и включает все виды поступления и расходования воды за этот период. По водному балансу озера подразделяются на б е с с т о ч н ы е и  с т о ч н ы е. Б е с с т о ч н ы е  о з е р а  не имеют ни поверхностного, ни подземного стока и теряют воду практически только на испарение. Потери воды из  с т о ч н ы х  о з е р  происходят, помимо испарения, путем поверхностного или подземного стока. Среди этого вида озер выделяются  п р о т о ч н ы е, сток из которых составляет значительную долю водной массы. В них обычно заметно течение, связанное с режимом впадающих и вытекающих рек. Промежуточное положение между обеими группами занимают озера с  п е р е м е ж а ю -  щ и м с я  с т о к о м. Они дают сток только в период высоких вод; в межень вытекающие из них водотоки пересыхают.

Уравнение водного баланса для сточного озера (при исчислении всех составляющих в единицах объема) имеет следующий вид:

Х + Упр + Угр – Уст – Уф – Е = ± ДV,                (13.3)

где Х  – осадки на зеркало озера;

Упр – поверхностный приток в озеро;

Угр – подземный приток в озеро;

Уст – поверхностный сток из озера;

Уф – фильтрация (подземный сток из озера);

Е  – испарение с зеркала озера;

ДV – изменение объема воды озера за расчетный период (при исчислении составляющих водного баланса в виде слоя величина ДV

заменяется изменением уровня ДН).

Для бессточного озера это уравнение примет следующий вид:

Х + Упр + Угр – Е = ± ДV.                        (13.4)

В вышеприведенных уравнениях не учтена конденсация водяных паров на зеркало озера как пренебрежительно малая величина.

При расчете водного баланса по месяцам или сезонам необходимо учитывать потери за счет оседания льда на берега во время понижения уровня и приход воды от таяния льда. В годовом балансе эти составляющие компенсируются.

В водном балансе водохранилищ поверхностный сток заменяется сбросом воды через плотину и попусками через гидросиловую установку (при наличии ГЭС). В этих водоемах существенную роль может играть потребление воды для различных народнохозяйственных целей (водоснабжение, орошение и пр.), а также фильтрация, которую можно определить по гидрогеологическим данным или из уравнения водного баланса (если известны все его другие составляющие).

Наиболее точный расчет водного баланса возможен путем определения его составляющих по материалам полевых исследований. Сток определяется по данным гидростворов на реках, впадающих в водоемы и вытекающих из них. При отсутствии материалов наблюдений возможен подсчет стока по картам изолиний. Испарение с зеркала водоема (мм/сут) можно вычислить по формуле :

Е = 1,5 (рн – р200)(1 + 0,72 u200),                (13.5)

где рн – максимальная упругость водных паров при температуре испаряющей поверхности, кПа;

р200 – упругость водяных паров на высоте 200 см над водной поверхностью, кПа;

u200 – скорость ветра на высоте 200 см над водной поверхностью, м/с.

С увеличением минерализации воды испарение уменьшается, однако при малых концентрациях солей (до 5–7%) этим уменьшением можно пренебречь.

Растения с плавающими листьями (ряска, кувшинки и др.) очень мало влияют на испарение. Полупогруженная водная растительность (камыш, тростник, хвощ и др.) увеличивает испарение с водоемов примерно в 1,3–2,0 раза.

Количество атмосферных осадков, выпадающих на зеркало малых озер, может быть вычислено по данным ближайших метеостанций. Количество осадков на крупных водоемах обычно несколько меньше, чем на суше, что связано с интенсивным перемещением воздушных масс над менее шероховатой водной поверхностью.

В зависимости от длительности пребывания одной и той же массы воды в водоеме создаются специфические температурные условия, изменяются химический баланс, минерализация, газовый режим, седиментация и накопления донных отложений. В связи с этим важную роль играет кратность водообмена в сточном водоеме: кв = Wст /V, где Wст – сток воды за некоторый промежуток времени (например, за год). Обратное отношение (V/ Wст) определяет период полного водообмена. При интенсивном водообмене значительная часть взвешенных и растворенных в воде веществ, поступивших в водоем, сравнительно быстро выносится из него, не успев претерпеть существенных изменений. Воздействуя на режим водоема, водообменность влияет и на развитие жизни в нем.

Изменения и колебания уровней озеровидных водоемов могут происходить при изменениях объема воды или при нарушениях горизонтального положения водной поверхности. Первые связаны с изменениями элементов водного баланса, вторые (д е н и в е л я ц и и) – с движением воды (волнами, сгонами и нагонами, сейшами и пр.). Поэтому уровни на водомерных постах, расположенных в различных пунктах крупного водоема, будут различны. В ряде расчетов необходимо знать средний уровень. Он определяется как средневзвешенный с учетом частей площади зеркала, тяготеющих к водомерным постам.

В режиме уровней озер четко выражены как внутригодовой ход, так и многолетние и вековые колебания. Внутригодовой ход зависит в первую очередь от климатических условий.

В тундре и лесной зоне ход уровней озер характеризуется четко выраженным весенним подъемом, плавным спадом в течение лета и осени, нарушаемым нередко дождевыми паводками, и минимальными уровнями зимой. На многих бессточных озерах аридной зоны после резкого весеннего подъема уровня происходит спад вплоть до летнего пересыхания. Уровни озер, вскрывающих горизонты грунтовых вод, колеблются в течение года незначительно.

В многолетних колебаниях уровней озер прослеживается цикличность, связанная с изменениями солнечной активности и сменами эпох атмосферной циркуляции. Цикличность может быть короткопериодная и долгопериодная (22 года и более).

При проектировании водохранилищ для каждого из них устанавливаются уровни, соответствующие определенным фазам гидрологического режима: нормальный подпорный, сработки, мертвого объема.