Процесс заиления малых и средних русловых водохранилищ

Ключевые слова: водохранилища, заиление, наносные отложения, регулирующие емкости, чаша водохранилища, бьеф, твердый сток реки.

Многолетний опыт эксплуатации водохранилищ показывает, что процессы заиления и занесения их объемов отложениями наносов являются одним из важнейших факторов, определяющих эффективность их эксплуатации и экологическую обстановку на прилегающих территориях.

Основной объем наносных отложений, уменьшающих регулирующие емкости русловых водохранилищ, составляют отложения твердых стоков водотоков. Некоторые его части могут также составлять отложения продуктов переработки берегов подпорного бьефа волнами и дождевыми водами, оползней и обвалов предгорных условиях, ливневых паводков и селевых потоков, эоловых наносов, приносимых ветрами.

Отложения донных и взвешенных наносов, транспортируемых рекой, в чаще водохранилища и в речном русле выше по течению вызывают уменьшение его регулирующей емкости и удлинение создаваемой им кривой подпоры с увеличением зоны затопления прибрежной территории в ее пределах. Кроме того, в результате задержания в водохранилище части речных насосов, в нижний бьеф сбрасывается осветленная вода, что приводит к интенсификации размыва отводящего речного русла и снижению уровня воды на большой длине ниже плотины. Вместе с тем, забор осветленной воды из водохранилища в отходящие от него ниже по течению оросительные каналы, увеличивает фильтрационные потери воды из них. Это объясняется частичным смывом образовавшегося ранее при пропуске мутной воды кольматационного слоя, что ведет к постепенному ухудшению плодородия орошаемых земель, предотвращению поступления на них илистых фракций взвешенных наносов, улучшающих структуру почв. Для обеспечения эффективной и рациональной эксплуатации проектируемых, реконструируемых или капитально ремонтируемых водохранилищных гидроузлов, необходимо при разработке проектов выполнить прогностические расчеты перечисленных выше явлений и на их основе разработать инженерные решения по предотвращению процессов заиления-занесения [1].

Исследование характеристик наносных отложений верхнего бьефа показало, что распределение наносов в подпорном бьефе водохранилищного гидроузла в основном зависит от гидрологических, геоморфологических, гидротехнических и эксплуатационных факторов.

В период прохождения паводковых расходов, в верхнем бьефе водохранилища поддерживаются наибольшие уровни воды. В таком случае, поступая в верхний бьеф водохранилища ливневые потоки быстро теряют свои скорости и интенсивное отложение наносов начинается в зоне полезного объема. Наиболее мельчайшие взвешенные фракции наносов, постепенно транспортируются до створа плотины. Основная масса наносных отложений образуется вдоль русловой части чаши водохранилища. Анализ изменения фракционного состава наносных отложений по длине водохранилища показывает, что в основном они состоят из взвешенных наносов, крупность которых уменьшается в направлении от входного створа к плотине [2]. Только в зоне выклинивания подпора во входной части водохранилища наблюдаются отложения крупных накосов, средний диаметр которых изменяется в пределах 15

Например, максимальная мощность наносных отложений в чаше Лангарского водохранилища в створах, находящихся на расстоянии 500–550 м от входной части верхнего бьефа. От входной части в сторону плотины толщина слоя наносных отложений постепенно уменьшается. Существенное влияние на процесс формирования наносных отложений в верхнем бьефе гидроузла оказывает глубокая русловая часть верхнего бьефа водохранилища. Постепенное заполнение наносными отложениями глубокой русловой части чаши, приводит к выравниванию верхнего бьефа водохранилищного гидроузла. Поэтому, в период поступления ливневых паводков в водохранилище, в его мёртвый объем попадает незначительная часть твердого стока. Основная масса твердого стока оседает в зоне полезного объема чаши. В период опорожнения верхнего бьефа водохранилища, наносные отложения из русловой части смываются бытовыми расходами водотока и постепенно переносятся в зону мертвого объема чаши. За период более 30 лет эксплуатации Лангарского водохранилищного гидроузла, мертвый объем водохранилища оказался полностью заполненным наносными отложениями.

Таким образом, процессы заиления-занесения верхних бьефов малых и средних русловых водохранилищ, построенных на взвесенесущих водотоках, являются весьма сложными физическими явлениями, которые зависят от многочисленных объективных и субъективных факторов. Основной из этих факторов — является режим работы этих гидроузлов.

Режимы работ малых и средних русловых водохранилищ устанавливаются исходя из их целевых назначений и природных условий водотоков, на которых построены эти гидроузлы. Русловые водохранилища, построенные в предгорных зонах, предназначенные для ирригации и трансформации ливневых-селевых паводков, осуществляют полную аккумуляцию всего твердого стока этих водотоков [3]. Эти русловые водохранилища являются водохранилищами сезонного регулирования, которые наполняются в осенне-зимний период и опорожняются в течении вегетационного периода. По данным многолетних гидрологических исследований в осенне-зимнем периоде использующийся для наполнения малых и средних водохранилищ среднесуточной расход воды питающих водотоков составляет от 0,25 до 8,0 м³/с. Во время наполнения малых и средних русловых водохранилищ в их чашах оставляют запас емкости порядка 0,6....2,8 млн.м³, на случай регулирования возможного катастрофического ливневого паводка. Для этого наполнение водохранилища меженным осенне-зимним стоком прекращают, когда уровень воды в водохранилище достигнет отметки на 2,0...4,0 м ниже отметки нормального подпертого уровня. Прохождение по реке расходов ливневых паводков, отличающихся внезапностью появления, высокой мутностью воды и кратковременностью, часто вызывает переполнения русел рек и затопление ими густо заселенной долины. Например, построенный Лангарский водохранилищный гидроузел использует чашу, образованную в долине реки Лангарсай, перегораживающей ее земляной плотиной. Верхний бъеф обычно наполняют до отметки на 1,5–2,5 м ниже нормального подпертого уровня, создавая резервную емкость для регулирования паводков, объемом 1,0...2,0 млн.м³. Узел гидротехнических сооружений водохранилища кроме плотины включает трубчатый водовыпуск, порог которого заложен на отметке уровня мертвого объема. Расчетный максимальный расход водовыпуска при нормальном подпертом уровне — 15 м³/с. Регулирование расхода осуществляется рабочими затворами, установленными в специальной камере в средней части труб водовыпуска. Кроме водовыпуска узел сооружений имеет катастрофический водосброс, гребень которого заложен на отметке нормального подпертого уровня и предусмотрен на пропуск расхода воды 120 м³/с. Интенсивное наполнение водохранилища производится со второй половины сентября до начала марта, когда в нем аккумулируют почти весь поступающий речной сток. Начиная с марта месяца возможно появление ливневых паводков. Поэтому февральские битовые расходы реки, поступающие в водохранилище, транзитом пропускаются в его нижний бьеф. Дальнейшее же наполнение водохранилища до нормального подпертого уровня к началу вегетации осуществляют за счет задержания паводков. Аналогичные графики режима работы имеют водохранилища Дехканабад, Карабаг, Калкама и другие. Недостатком описанного режима работы малых водохранилищ является то обстоятельство, что из-за необходимости аккумулировать осенне-зимний сток водотока к моменту начала появления ливневых паводков, водохранилище оказывается в значительной мере наполненным. Поэтому насыщенная большим содержанием наносов вода поводков, проходя через водохранилище отлагает в нем значительную часть содержащихся наносов, резко увеличивая его заиление. Кроме того, в период прохождения паводков в верхнем бьефе водохранилища происходит сложное гидравлическое явление. Характер протекания речного потока в чашу водохранилища во время прохождения рассматриваемого ливневого паводка, по нашим визуальным наблюдениям был, следующим. С момента начала паводка в водохранилище образовалось явно выраженное продольное течение мутной воды по русловой части чаши в сторону плотины, с очень медленным растеканием по ширине водохранилища, даже в его глубинной части. По мере увеличения расхода воды и ее мутности это течение становилось все более и более выраженным, и его скорость увеличивалась. При этом в глубинной озерной части водохранилища значительно усилилась интенсивность растекания мутного потока по его ширине. Это следует объяснить тем, что произошло значительное выравнивание дна водохранилища за счет наносных отложений предыдущих паводков, которые не только уменьшили продольный уклон дна, приблизив его у плотины к почти горизонтальному, но и заполнили все сколько-нибудь выраженные продольные заглубления, оставшиеся от старых русел, существующих до постройки плотины. Мутное течение достигло плотины через 1,0...1,5 часа после начала паводка. К этому моменту мутность воды, сбрасываемой через водовыпуск, составляла 5,2 кг/м³. Через 2 часа после начала паводка зафиксирована максимальная мутность сбросной воды равная 7,5 кг/м³. К середине фазы спада мутность сбросной воды понизилась до 3,4 кг/м³, а в конце поводка составляла всего 0,85 кг/м³. По нашим расчетам, произведенным на основании измеренных расходов и мутностей воды на гидростворе перед входом в водохранилище и в нижнем бьефе, в водохранилище поступило примерно 278 тыс.м³ наносов, из которых в нижний бьеф было сброшено около 175 м³. Подобный характер отложений наблюдался также во время прохождения других паводков.

Таким образом, режимы работ русловых водохранилищ должны обеспечивать:

– выполнение народно-хозяйственного плана по созданию запаса воды;

– нормальную работу гидротехнических сооружений водохранилищного узла;

– минимальный объем заиления чаши водохранилища и сброс в нижний бьеф возможно большей части твердого стока реки, возможность периодических промывок в нижний бьеф наносных, отложений образующихся в водохранилище; сокращение потерь воды из водохранилища на испарение с поверхности зеркала и на фильтрацию в грунты чаши и обход плотины;

– ослабление интенсивности подъема кривой подпора в русловой части водохранилища, вследствие интенсивного осаждения в ней крупных фракций наносов и уменьшение зоны затопления прибрежных территорий.

Литература:

1. Г. Т. Давранов, ИрмухамедоваЛ.Х., ФырлинаГ. Л. Режим работы селеводохранилищ и их заиление //. Журнал МУХАФАЗА+,Ташкент 2014.- № 06. 20-стр.
2. Физическое моделирование взвесенесущих паводковых потоков// Материалы международной научно-практической конференции — “ Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства и пути их решения” МГУП Москва 2011.,часть — 4. С.72–78.
3. Исмагилов Х. А. Селевые потоки, русловые процессы, противоселевые и противопаводковые мероприятия в Средней Азии.- Ташкент: Мехнат, 2006. — 249 с