9.4. Изменение природы в нижнем бьефе водохранилищ

Значительные изменения в природе наблюдаются и ниже створа ГЭС (подмыв берегов, деформация русла реки, изменение ее термического режима, химического состава воды и др.). При создании водохранилищ изменяется ландшафт речных долин и озерных котловин. В результате частичного или полного прекращения паводков уменьшаются площади весеннего затопления поймы

С сооружением плотины часть русла непосредственно у гидроузла, как правило, канализируется или переносится в створ здания ГЭС. На участке русла бывшей реки формируется озеро старичного типа с замедленным водообменом. По мере эксплуатации водохранилищ это озеро полностью изолируется от русла реки, а затем зарастает и заболачивается. Эти видоизмененные ландшафты у нижних бьефов водохранилищ присущи большинству равнинных ГЭС и затрудняют хозяйственное использование сельхозугодий.

В формировании берегов нижнего бьефа участвует несколько процессов: волновая, ледовая и термическая абразия, русловая и склоновая эрозия, дефляция, физическое выветривание, механическая суффозия, растворение, гравитационные движения пород на склонах, зарастание берегов. Влияние отдельных видов регулирования речного стока на устойчивость берегов в нижнем бьефе бывает различно.

Из таблицы 9.3 следует, что суточное и недельное регулирования стока, характерные для малых водохранилищ ГЭС, отрицательно сказываются на устойчивости берегов. Усиление неустойчивости ледовой обстановки и резкое снижение стока наносов способствуют деформации берегов.

Таблица 9.3

Величина влияния речного стока на устойчивость берегов в нижнем бъефе

Многочисленные примеры говорят о том, что строительство гидроузла в любом случае способствует временной активации русловых пере­формирований в его нижнем бьефе. Наиболее заметные необратимые деформации русла происходят в первые годы непосредственно ниже гидроузла. Как показали лабораторные исследования гидравлического режима нижнего бьефа низконапорной плотины, речной сток обладает достаточно большой энергией и воздействует на русло. Уже при высоте плотины 2,1 м наблюдается увеличение донных скоростей течения до 5,2 м/с, а максимального дефицита давления до 12,4 кПа.

В нижних бьефах гидроузлов по сравнению с естественными условиями наблюдается коренная перестройка продольного профиля русла. Как показали русловые съемки в нижнем бьефе крупных водохранилищ России, а также некоторых малых водохранилищ ГЭС Беларуси и Польши, в руслах рек в нижнем бьефе выделяются воронка размыва, зона глубинной русловой эрозии и зона аккумуляции наносов.

Размыв русла начинается непосредственно за рисбермой и протекает в первые 5 – 10 лет очень энергично. В результате размывов происходит формирование воронки размыва. При напоре 2 – 10 м и расходах воды 5 – 20 м³/с глубина в воронке размыва достигает 10 – 15 м. Ниже воронки размыва формируются широкие и подвижные скопления наносов. Затем глубинная эрозия постепенно смещается вниз по течению и для малых водохранилищ на определенном этапе развития стабилизируется. Длина зоны активной русловой эрозии составляет 6—10 км. На этой стадии объемы глубинной эрозии достигают 3,5 – 15 млн. м³. Под воздействием зарегулированного стока живое сечение на перекатах расширяется у дна и близко к параболическому.

Ниже зоны глубинной эрозии формируется зона аккумуляции наносов. По своим размерам она несколько короче (0 – 8 км) и отличается формированием неустойчивых аккумулятивных форм в подводной и надводной части русла. В этой зоне аккумулируется до 75 % наносов, вынесенных из воронки размыва и зоны глубинней эрозии.

Выявленные особенности русловых процессов в нижнем бьефе характерны для первых 10 — 15 лет эксплуатации малых водохранилищ. В отличие от крупных водохранилищ дальнейшее формирование продольного профиля реки в нижнем бьефе идет крайне медленно.

Стадия трансформации продольного профиля русла выражена слабо и для малых водохранилищ практически не изучена. При малых расходах воды живое сечение реки стабилизируется быстрее, а ее русло изобилует мелкими подвижными формами рельефа. Затухание процесса деформации русла заканчивается стабилизацией продольного профиля. На равнинных реках эта последняя стадия наступает через значительный промежуток времени, в момент отмирания или перерождения водохранилища, когда в нижний бьеф будет поступать транзитный сток наносов, формирующих русло в верхнем бьефе.

Изучение термического режима рек в нижнем бьефе после создания водохранилищ на Волге, Оби, Енисее и других реках показало существенные изменения в термике этих рек ниже водохранилищ. Было установлено, что крупные водохранилища приводят к изменению температурного режима рек не только в районе распространения подпора, но и на значительном протяжении ниже плотины. Масштабы нарушения термики рек после их преобразования зависят от расположения водохранилищ в различных природных зонах, размеров созданных водоемов (площадей и объемов), а также от вида регулирования стока. Во всех случаях водохранилища оказывают охлаждающее влияние на речной сток в весенне-летний период и отепляющее в осенний.

Для малых рек оценка изменения термического режима вод после создания водохранилища не выполнялась. Считалось, что эти изменения незначительны и ничего существенного в термику рек они не вносят. Убеждение в этом было связано с тем, что, как правило, на малых водо­хранилищах отсутствовали режимные наблюдения за термическим состоянием вод. Только в последние годы удалось доказать несостоятельность этих убеждений, используя для этой цели фактические данные по ряду малых водохранилищ, для которых имелись стационарные наблюдения за длительный период веремени.

При оценке этих изменений были выбраны для сопоставления водо­мерные посты с достаточным периодом наблюдений за температурой воды как на малых водохранилищах, так и в нижних бьефах. В первую очередь были привлечены наблюдения, проведенные до и после создания водохранилищ. Основой для анализа послужили материалы длительных наблюдений в условиях Белоруссии (Заславское, Осиповичское, Чигиринское, Рачунское водохранилища) и Литвы (водохранилище Каунасской ГЭС), а также на водохранилищах неэнергетического назначения (Любанское, Солигорское).

Было установлено, что масштабы нарушения бытового режима в термике малых рек зависят от расположения водохранилищ в гидрографической сети, размеров созданных водоемов, а также характера принятого регулирования и проточности. Сравнительный анализ температурного режима вод в бытовом состоянии малых рек и после зарегулирования показал, что в их режиме имеются характерные изменения. К их числу следует отнести сдвиг в наступлении дат максимального прогрева воды по сравнению с бытовым режимом в среднем на 8 - 10 дней. Это явление было отмечено как для самих водохранилищ, в основном с сезонным регулированием стока, так и в нижних бьефах малых рек (Ошмянки, Друти, Орессы, Свислочи и др.).

Рис. 9.9. Изменение среднедекадной температуры воды рек за многолетний период до и после создания водохранилищ. а – Заславское (1957): 1 – р. Свислочь, водпост Заречье (1942 – 1956); 2 – то же (1957 – 1963); 3 – водпост ГЭС (1959 – 1972); б – Осиповичское водохранилище (1954); 1 –р. Свислочь, водпост Теребуты (1944 – 1953); 2 то же (1954 – 1972); 3 водпост Липень (1945 – 1955); водпост ГЭС (1957 – 19720

Начиная с первых дней лета отмечается значительно более быстрый нагрев водных масс в водохранилищах по сравнению с водами впадающих рек. Эта разница до момента максимального нагрева в середине июля достигает 1,0 – 1,5 °С; в меньших размерах она отмечается в течение последующего времени до октября-ноября (рис. 9.9). В результате наблюдается сброс воды из водохранилищ ГЭС в нижний бьеф малых рек с повышенной температурой. Отепляющее влияние в некоторые летние месяцы достигает 1,2 – 1,6 °С (рис. 9.10). Отепляющее влияние сбрасываемых вод из малых водохранилищ в нижний бьеф продолжается не только в летний, но и в осенний периоды года и прослеживается на расстоянии до 25 – 30 км ниже плотины. Так, изменения в температуре воды были прослежены на расстоянии 25 км по р. Свислочи ниже Осиповичской ГЭС, на 27 км по р. Ошмянке ниже Рачунской ГЭС.

Рис. 9.10. Изменение средней декадной температуры воды р. Ошмянки за многолетний период до создания (а) и после создания (б) водохранилища Рачунской ГЭС

В весенний период отмечается небольшое охлаждающее влияние сбрасываемых вод из водохранилищ в нижний бьеф малых рек, но его продолжительность невелика, и понижение температуры воды по сравнению с ее бытовым состоянием до регулирования составляет в среднем 0,3 – 0,8 °С. С увеличением объема водохранилищ (Заславской ГЭС, Вилейское, Каунасской ГЭС) период охлаждающего влияния в нижнем бьефе рек увеличивается во времени и захватывает часть летнего пе­риода.

Исследованиями было установлено некоторое потепление в термическом режиме малых рек после их регулирования. Средние годовые температуры воды в многолетнем разрезе были на 0,5 – 0,7 °С выше, чем до регулирования. Отепляющий эффект сбрасываемых вод особенно значительно проявляется на малых реках в летне-осенний период при создании небольших водохранилищ.

Экспериментальными исследованиями на примере водохранилища Осиповичской ГЭС установлено, что малые искусственные водоемы вы­полняют роль биологического очистного сооружения и способствуют как улучшению качества воды в нижнем бьефе, так и минерализации продуктов накопления. Интенсивный процесс самоочищения способ­ствует увеличению в воде нижнего бьефа растворенного кислорода, азо­та, уменьшению содержания углекислоты. Отмечено понижение стока общего азота на 6 – 12 %, общего фосфора на 33 – 35 %. Эти показатели, а также исследования на водохранилищах Любанском, Чигиринской ГЭС свидетельствуют о накоплении в них всех видов и форм биогенных элементов и свободной углекислоты. Годовая аккумуляция в водохрани­лищах составляет до 14 – 27 % общего азота, 21 - 60 % общего фосфора, 58 – 70 % железа. В отдельные годы аккумуляция нитритного азота достигает до 93 % (Чигиринская ГЭС).

Таким образом, роль малых водохранилищ ГЭС в изменении природных условий в нижнем бьефе существенна. В практике требуется качественная и количественная их оценке при составлении прогноза влияния малых водохранилищ на окружающую среду.