3.4.3. Специфика развития течений в малых водохранилищах
Среди наиболее распространенных течений в малых водохранилищах чаще отмечаются поверхностные дрейфовые и вдольбереговые течения, возникающие в результате воздействия ветра. Стоковые течения возникают в результате притока речных вод вместе впадения главой реки и крупных притоков, в результате действия водосбросов, насосных станций, сброса вод в нижний бъеф. В результате сгонно-нагонных явлений возникают вдольбереговые течения, способствующие транспортировке продуктов разрушения берегов. Вдольбереговые течения способствуют размыву берегов и формированию прибрежных мелководий. Стоковые и дрейфовые течения способствуют внутреннему водообмену водохранилищ, влияют на биотические процессы, способствуют самоочищению вод. Поэтому они представляют наибольший интерес.
Детальные исследования течений проводились в безледоставный период на водохранилищах Криницы, Дрозды, Чижовское на р. Свислочь, Волчковичи на р. Птичь и Вяча на одноименной реке. Методика исследования заключалась в определении направления и скорости течений с учетом сбрасываемых расходов, скорости и направления ветра на высоте 2 м над водной поверхностью, высоты и направления движения волн, колебаний уровня воды. Измерения скорости течений проводились с помощью измерителя течений и поверхностных и глубинных поплавков по стандартной методике.
В результате построения эпюр и схем выделено два вида течений: поверхностное и придонное. Поверхностные течения захватывают водные массы мощностью 1 – 2 м. В зависимости от направления ветра поверхностные течения могут совпадать со стоковыми по направлению в сторону плотины, вызывая при этом перераспределение скоростей по живому сечению (рис. 3.9). Скорости поверхностных течений определяются скоростью ветра, длиной разгона и интенсивностью ветрового волнения составляют 0,01 – 0,33 м/с. Анализ эпюр показывает, что поверхностные течения в малых водохранилищах могут охватывать ½ площади водного живого сечения. Активное перемещение водных масс осуществляется практически во всей толще воды. Значительные колебания скоростей наблюдаются к русловым ложбинам затопленных водотоков. Скорости стоковых течений изменяются в пределах 0,01 до 0,15 м/с. По оси водохранилища скорости течения уменьшаются от верховьев к плотине.
Рис. 3.9. Эпюры скоростей течения по акватории водохранилища «Криницы»: а – поверхностные течения, б – придонные течения.
В хорошо укрытых от ветра мелководных водохранилищах преобладаю циркуляционные течения. На основании комплексных единовременных съемок температуры воды, прозрачности. Мутности воды, содержания растворенных ионов, газов и аналитических расчетов динамическим методом была составлена схема вероятных циркуляционных течений приплотинной части Тетеринского водохранилища (рис. 3.9).
В результате проведенных расчетов было установлено. Что скорости течения изменяются от 0,30 до 0.60 м/с. От верховьев к плотине водохранилища скорости течений уменьшаются в 2 – 10 раз. Наибольшие значения скоростей течений наблюдаются в русловой ложбине (0,2 – 0,6 м/с) и средней частях водохранилища (0.04 – 0,25). К плотине скорости постепенно выравниваются, от поверхности ко дну уменьшаются. На протяжении верхней и средней частей водоема прослеживается полоса с максимальными элементарными расходами и скоростью течения, именуемая гидродинамической осью. В достаточно узком и сильно вытянутом Осиповичском водохранилище она прослеживается на протяжении 2/3 его длины, в Чигиринском ½, а в малых типа Криницы, Дрозды, Чижовское – около 2/3 их протяженности.
Для определения средних скоростей в i–том сечении малого водохранилища предложена зависимость
Vстi = Qi / (Kv ωi),
где Vстi – скорость стокового течения в i–том сечении, м/с; Qi – расход в i–том сечении, м/с; ωi) – площадь i–того сечения, м2; Kv – поправочный коэффициент, равный в наблюденных условиях в верховьях водохранилищ 1,0, в средней и нижней частях – 1,8 – 2,7.
Для количественной оценки изменения стоковых течений по длине водохранилищ предлагается использовать соотношение элементарных расходов в русловой ложбине qp и в пойменной части ложа qп. По мере продвижения к плотине элементарные расходы по ширине ложа водохранилищ выравниваются и на некотором створе
Qp/qп = 1 = const.
Поскольку в приплотинной части ложа водохранилищ роль русловой ложбины в переносе водных масс практически не сказывается, а глубины пойменной части ложа незначительно отличаются от глубин в русловой ложбине, вышеуказанное выражение можно представить в виде
vp/vп = 1 = k,
где vp – средняя скорость на вертикали в русловой ложбине; vп – то же в пойменной части ложа, а k – гидродинамический коэффициент, определяемый соотношением скоростей в ложе и изменяющийся от верховьев к плотине от 0.5 до 10,0 (рис. 3.10).
Рис. 3.10. Изменения скорости течения от верховьев к плотине по ложу водохранилища Осиповичского водохранилища. В числителе указан элементарный расход воды, в знаменателе – средняя скорость течения, м/с; на эпюрах в горизонтальном масштабе – скорость течения, м/с, в вертикальном – глубина вертикалей, м
Выравнивание скоростей течения в ложе водохранилищ свидетельствует о переходе гидродинамических условий к качественно новым условиям в приплотинной части. Ниже створа с k,= 1 скорости течения изменяются незначительно и преобладает гидрологический режим открытого водоема с присущими ему активной волновой деятельностью и системой циркуляционных течений. Для вытянутых котловин водохранилищ целесообразно выделить переходную зону от речной к озерной при 5 ≥ k ≥ 1. Граница между зонами определяется интерполированием значений градиентов между конкретными гидродинамическими створами. Как показали расчеты (рис.3.8) по динамическому методу в Тетеринском водохранилище, в озерной приплотинной части малых водохранилищ возникает сложная система течений. В этой части водохранилищ на разной глубине водные массы участвуют в формировании циклональных и антициклональных схем течений, которые дополнительно усложняются дрейфовыми и соковыми течениями.
По гидродинамическим условиям с учетом значений гидродинамических коэффициентов акваторию малых речных водохранилищ следует разделять на гидродинамически активную приплоитнную (озеровидную), переходную озерно-речную (полупассивную) и гидродинамически пассивную с выраженной активной гидродинамической осью, которая в переходном участке может не совпадать с русловой ложбиной и постепенно рассеивается.