В условиях Центральной Азии, в том числе Узбекистана, неравномерное внутригодовое распределение водных ресурсов потребовало в прошлом строительство и эксплуатацию различных по параметрам водохранилищных гидроузлов. В Узбекистане их число превышает 55 и в основном, они были построены во второй половине XX века. Эти водохранилища обеспечивают 24 % оросительной воды, необходимой сельскому хозяйству Узбекистана. Общий полезный объем водохранилищ составляет около 15 км3. По данным Международной комиссии по большим плотинам в 140 странах мира существуют более 45000 водохранилищ с емкостью более 3 млн.м3. Больше половины из них построены для нужд ирригации, с помощью которых орошается более 20 % от общей площади сельскохозяйственных земель.
Мировой опыт эксплуатации русловых водохранилищ показывает, что процесс заиления и занесения их объемов наносными отложениями, является одним из важнейших факторов, определяющих эффективность их эксплуатации и экологическую обстановку на прилегающих территориях. В результате осаждения в водохранилищах речных наносов, в нижний бьеф сбрасывается осветленная вода, что приводит к увеличению фильтрационных потерь из оросительных каналов и к постепенному ухудшению плодородия орошаемых земель.
В годы независимости Республики Узбекистан, обеспечение надежности и безопасности эксплуатации водохранилищных гидроузлов, закреплено рядом законов страны. Нами в настоящее время проводятся широкомасштабные научно-исследовательские работы, направленные на разработку конструктивно-технологических мероприятий по сохранению полезных емкостей русловых водохранилищ.
Основной объем наносных отложений, уменьшающих регулирующие емкости водохранилищ, составляют отложения твердого стока реки. Величина и продолжительность процесса заиления, а также характер распределения наносных отложений в подпорных бьефах в основном зависят от гидрологических, геоморфологических, гидротехнических и других факторов. К усилению этих явлений может приводить неправильная эксплуатация сооружений водохранилищного гидроузла, развитие эрозионных процессов, вызываемых сельскохозяйственной деятельностью человека в зоне водосбора реки, зарастание мелководий водной растительностью, трансформация гидравлических условий и работы водохранилища — изменение дрейфовых течений, ветровой обстановки и других. Во всех этих случаях своевременное принятие службой эксплуатации необходимых мер, направленных на ослабление возможных отрицательных последствий последних, существенно ослабит интенсивность развития рассматриваемых процессов и повысит эффективность работы водохранилища.
Процесс заиления водохранилищ — весьма сложное явление, которое зависит от многих природных факторов и организации эксплуатации. Существующие методы расчета процесса заиления в основном разработаны для схематизированных условий, часто существенно отличающихся от конкретных условий эксплуатируемого водохранилища. В настоящее время одним из эффективных методов расчета объема заиления является повторное батиметрические съемки чаш эксплуатируемых водохранилищ, позволяющие получить конечные результаты заиления. Например, широко используются акустическое эхолотирование с привязкой к GPS — системе, бортовая система эхолотирования LIDAR и многопролетные гидролокаторы, которые позволяют исключить геодезические работы и в короткий срок провести эти изыскания с меньшими материальными затратами.
Достаточно эффективных мероприятий по борьбе с процессом заиления или универсального способа не существует. Предлагаемые специалистами и используемые на некоторых низконапорных гидроузлах методы (удаление наносных отложений гидропромывом, механической очисткой и другими способами) неприменимы в условиях малых водохранилищ, из-за недостатка расходов воды в реке для промыва и очень высокой стоимости производства работ по механизированной очистке.
На наш взгляд вопрос борьбы с процессом заиления должен решаться с учетом природных и эксплуатационных условий водохранилищ конкретного региона, и разработанные мероприятия в этом плане должны входить в проекты в качестве обязательных операций и осуществить их необходимо с начала эксплуатации водохранилища [1, с26…32]. Как показали результаты изучения режима работы русловых водохранилищ и гидравлических явлений, связанных с ним в условиях натуры и модели, поддержание в верхних бьефах водохранилищ высоких уровней воды, обуславливаемых гидрологическими режимами водотоков, во время прохождения паводковых потоков исключает возможности сброса части поступающих наносов в нижний бьеф плотины гидравлическим способом. Характер протекания мутного паводкового потока в подпорном бьефе водохранилища приводит к быстрому осветлению этого потока в сторону плотины, так как это явление связано с достаточным большим извлечением мутного потока в русловой части водохранилища. Кроме того, за короткое время происходит выравнивание и уполаживание дна водохранилища за счет наносных отложений от предыдущих паводков (особенно в зоне мертвого объема), что также приводит к уменьшению скорости мутного потока в сторону водосбросных отверстий и увеличению растекания его по ширине подпорного бьефа. Наши натурные и лабораторные исследования показали, что значительная часть наносных отложений наблюдается в русловой части чаши водохранилища и при сработке верхнего бьефа, в период вегетации часть этих отложений с верхних створов чаше смывается с бытовыми расходами водотока и переносится в зону мертвого объема чаши [2, с. 265…271].
В основу предлагаемого нами способа была заложена идея пропуска в нижний бьеф части твердого стока транзитом через часть подпорного бьефа и плотину гидроузла во время прохождения паводков с последующим транзитным пропуском твердого стока после опорожнения полезного объема водохранилища. В последнем случае будет происходить промывка наносов, отложившихся в русловой части чаши вплоть до наступления периода наполнения водохранилища.
Для повышения эффективности способа, в зоне полезного объема водохранилища, выполняется прямолинейный углубленный канал для направления, поступающего в водохранилище взвесенесущего потока к водосбросным отверстиям и для сброса наиболее мутного потока из верхних створов подпорного бьефа. Для удаления части наносных отложений (после опорожнения полезного объема водохранилища) из зоны полезного объема, по оси взвесенаправляющего канала устанавливается туннельный водосброс. Удаление наносов из верхних бьефов водохранилищных гидроузлов по данному способу осуществляются следующим образом: с момента поступления в чашу водохранилища ливневого паводка, мутный поток, насыщенный мельчайшими взвешенными наносами и обладающий большой плотностью движется по прямолинейному каналу в сторону плотины. В это время открываются затворы, устроенные в теле плотины и мутный поток попадает во фронт работы водосбросного туннеля и сбрасывается в нижний бьеф плотины. Расчетный уровень воды верхнего бьефа водохранилища регулируется работой водовыпуска, то есть с изменением расхода, поступающего в водохранилище изменяется расход, пропускаемый через водосбросной туннель. В стадии подъема и в пике ливневого паводка целесообразно пропускать большие расходы через водосбросной туннель, так как в этот период ливневый поток транспортирует огромное количество наносов. В стадии спада паводка насыщение потока наносами значительно уменьшается. Поэтому, если происходит снижение уровня воды в верхнем бьефе в период подъема и пике паводка, то в стадии спада паводка можно уменьшить сбросной расход и наполнять сработанный объем воды. В течение паводкового периода часть твердого стока отлагается вдоль взвесенаправлящего канала и во время опорожнения водохранилища в период вегетации эти наносные отложения постепенно смываются, продукты этого смыва переносятся в сторону входного оголовка водовыпуска. В таких условиях, до начала периода наполнения водохранилища, в течения 2–3 месяцев, бытовыми расходами водотока можно промывать значительную часть наносных отложений из канала. Что касается влекомых наносов, то они отлагаются во входной части водохранилища в начале канала. Для освобождения входной части канала от этих наносных отложений осенью перед началом наполнения водохранилища можно применять механизированный способ очистки, так как из-за малого объема этих наносов больших затрат на их удаление не требуется [3, с. 78…85].
Наполнение большинства водохранилищ происходит в дождливый период. При этом для сохранение емкости водохранилища не заиленной, важную роль играет регулирование его уровненного режима с целью пропуска возможно большего количества наносов в период при низких уровнях воды. Эффективность предлагаемых мероприятий проверена экспериментальным путем, и в результате разработаны рекомендации по расчету объема сброса твердого стока в нижний бьеф плотины. Обработка результатов натурных (в водохранилищах Чартак, Лангар, Карабаг, Шурабсой, Қарасу, Дехканабод и др.) и экспериментальных исследований по определению мутности сбросного потока по времени позволили представить характер изменения насыщения сбросного потока в следующем виде:
;(1)
где: Sвых — мутность потока, кг/м3; Sвх — средняя мутность потока на входном створе водохранилища, кг/м3; Т — продолжительность гидрографа паводка, час; ti — интервал времени.
Оптимальный вариант поддержания уровня воды в верхнем бьефе водохранилища в период паводков необходимо установить исходя из надежных гидрологических данных. При высоких отметках уровня воды перед плотиной, эффективность сброса наносов в нижний бьеф значительно ниже. Обработка результатов исследований позволила аппроксимировать связь (1) следующей зависимостью:
; кг/м3(2)
(при коэффициенте корреляции r = 0,8)
где: i — продольный уклон верхнего бьефа;
Fr — число Фруда
Hмакс — максимальная глубина подпорного бьефа при отметке НПУ, м;
hx — задания глубина подпорного бьефа, м.
Объем сбрасываемых наносов в нижний бьеф плотины за время прохождения одного паводка через водохранилище можно определить по формуле:
; м3(3)
где:
— средняя мутность потока, cбрасываемого в нижний бьеф, кг/м3;
— средний расход cбрасываемого потока, м3 /с;
— объемный вес наносов, кг /м3;
Wcб — объем сбрасываемых в нижний бьеф наносов, м3;
— определяется по известным формулам гидравлики в зависимости от величины напора и размеров отверстий водовыпуска.
Выводы. Правильное плановое регулирование уровневого режима верхних бьефов водохранилищных гидроузлов в период паводков позволяет сбрасывать в нижний бьеф плотины часть твердого стока реки. Эффективность предлагаемых мероприятий по борьбе с заилением зависит, прежде всего, от глубины, длины и уклона подпорного бьефа. По нашим расчетам, объем сбрасываемых в нижний бьеф наносов составляет 20–40 % от общего объема наносов, поступающего в чашу водохранилища с паводковым потоком.
Литература:
- Давранов Г. Т. Режим работы малых водохранилищ аридных зон Ферганской долины и их заиление // Вопросы русловой гидротехники с учетом усиливающейся роли антропогенной деятельности в речных бассейнах Средней Азии /САНИИРИ. — Ташкент, 1990. — С.40–48
- Давранов Г. Т., Юсупов А. А. Некоторые результаты лабораторных исследований заиления селеводохранилищ // Пути комплексного совершенствования мелиорации и водного хозяйства / САНИИРИ, — Ташкент. 1987. — С.71–76.
- Давранов Г. Т., Юсупов А. А. Влияние режима работы водопропускных отверстий на процесс заиления малых водохранилищ // Тезисы докл. Всесоюзн. Конф. Молодых ученых. Пути повышения эффективности использования водных ресурсов в условиях их нарастающего дефецита. — Ташкент, 1988. — С.35
