ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2007, том 34, № 5, с. 554-559
_ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ _
ПРОЦЕССЫ
УДК 556.537
НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЧАСТИЧНО ПОКРЫТОГО ЛЬДОМ ПОТОКА В НИЖНЕМ БЬЕФЕ ГИДРОУЗЛА ВО ВРЕМЯ ПРОХОЖДЕНИЯ ВОЛН ПОПУСКОВ1
© 2007 г. А. В. Котляков*, М. А. Мордасов*, Д. И. Исаев**, В. А. Иванов**,
И. И. Грицук*, Д. В. Шилов**
*Институт водных проблем Российской академии наук 119333 Москва, ул. Губкина, 3 **Российский государственный гидрометеорологический университет 195196 Санкт-Петербург, Малоохтинский просп., 98 Поступила в редакцию 06.09.2005 г.
На основе проведенных натурных экспериментов рассмотрен гидродинамический режим водного потока в нижнем бьефе гидроузла при попусках в зимний период. Представлены данные измеренных скоростей течений и изменений уровня водной поверхности, необходимые для моделирования деформаций дна нестационарных открытых потоков в условиях формирования ледовых заторов, возникающих под воздействием волны попуска на ледовый покров в нижнем бьефе гидроузла.
В настоящее время все более актуальным становится прогнозирование зимних наводнений, причиняющих огромный ущерб в экономической и социальной сферах. Зимние наводнения бывают вызваны, как правило, заторами и зажорами льда, образующимися в нижних бьефах гидроузлов при осенних и зимних попусках из водохранилищ. В таких ситуациях прогнозирование подъема уровня воды и площади затопления поймы в нижнем бьефе включает в себя необходимость расчета характеристик нестационарного потока, определяемых параметрами попуска и взаимодействием с ледяным покровом, а также времени возникновения процессов формирования и разрушения ледовых заторов и зажоров. Для решения этих задач необходимо иметь данные о скорости течения и уровне воды подледного, или частично подледного, нестационарного потока во время прохождения волн попусков. Эти данные позволят использовать для прогнозирования масштабов зимних наводнений математические модели взаимодействия нестационарных потоков с ледяным покровом [1].
Невозможность адекватного лабораторного моделирования процессов формирования ледовых заторов и зажоров из-за трудности моделирования динамических характеристик льда повышает значение натурных данных. Они дают возможность как верифицировать, указанные выше модели, так и прогнозировать зимние наводнения с последующим построением функций риска их возникновения.
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ
(грант < 06-05-65186).
Натурные наблюдения были проведены осенью и зимой 2004-2005 гг. на 5-км участке нижнего бьефа Чикинского водохранилища (р. Оредеж) в Ленинградской обл. (рис. 1). На протяжении трех километров ниже гидроузла русло реки имеет небольшую ширину (15-30 м) и глубину (1-3 м), а также прямолинейные участки длиной несколько сотен метров, довольно крутые излучины, протоки, острова и перекаты. Все это способствует созданию различных ситуаций и возникновению ледовых заторов и зажоров даже при небольших (12-15 м3/с) расходах воды при попусках. Поэтому данный участок реки подошел для исследований динамики ледового покрова при попусках.
Скорости течения и и расходы воды q на исследуемом участке в межень летом и зимой не превышали 0.5 м/с и 5 м3/с соответственно (при отсутствии попусков из гидроузла). В период попусков расходы воды увеличились до 12-15 м3/с, а скорости течения - до 0.8-1 м/с (на перекатах до 1.5 м/с). Это создало условия для взлома льда, сплава его вниз по течению и формирования ледовых заторов в местах излучин и перекатов.
В ноябре-декабре 2004 г. на исследуемом участке были выполнены предварительные работы по проведению подробной русловой съемки. Были проведены эхолотные промеры глубин: через 200-300 м на створах, расположенных на прямолинейных участках реки, и через 10-20 м в местах изгибов русла, на перекатах, около искусственных препятствий (мостов) и в других местах возможного возникновения ледовых заторов и зажоров. Расположение промерных створов показано на рис. 1. По результатам промеров были
Чикинское водохранилище
Рис. 1. Схема участка нижнего бьефа Чикинского гидроузла. 1-32 - номера промерных створов, черные квадраты -места наблюдений во время проведения эксперимента.
выявлены особенности рельефа дна на исследуемом участке и определены характерные глубины, необходимые в качестве исходных данных при расчетах по математическим моделям [1].
На всех створах были выполнены измерения скоростей течения (на 2-3 вертикалях в 2-3 точках), необходимые для сравнения характеристик течения зимой и летом и выявления влияния ледового покрова на динамику потока.
ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
НА Р. ОРЕДЕЖ К МОМЕНТУ НАЧАЛА НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
К началу проведения натурных исследований в Чикинском водохранилище, из-за потепления в январе, наблюдались повышенные уровни воды, близкие к экстремальным. В связи с этим возникла необходимость сброса воды через плотину (0 ~ ~ 12-13 м3/с), который в 2-2.5 раза превысил обычный для этого времени года. Ледяной покров на пойме сформировался на довольно высокой отметке не характерной для реки в этот период.
В нижнем бьефе Чикинского гидроузла также наблюдались высокие уровни водной поверхности, вплоть до затопления поймы. Таким образом, для получения корректных данных возникла необходимость прекращения сброса воды из водохранилища и понижения уровня воды в нижнем бьефе в течение 1.5-2 сут. Однако из-за подпора, создаваемого лежащей ниже по течению плотины Рождественского гидроузла, и большой зашу-гованности русла, препятствующей свободному стоку воды, удалось понизить уровень лишь на 10-15 см.
Относительно теплая погода препятствовала образованию на реке сплошного ледяного покрова. Фарватер оставался свободным ото льда, а сплошной ледяной покров образовывался лишь перед естественными и искусственными препят-
ствиями. Таким образом, к моменту проведения исследований уровень воды в нижнем бьефе оставался высоким (на 15-20 см выше среднего для этого времени года).
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА, ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
На указанных створах нижнего бьефа Чикинского гидроузла были проведены измерения скоростей течения, уровней водной поверхности И, динамики ледового покрова и его структуры при попусках из водохранилища. Измерения осуществлялись с использованием как стандартных, так и оригинальных, разработанных в РГГМУ, гидрометрических приборов.
На г/п 1 и 2 (рис. 1), расстояние между которыми по руслу составило ~350 м, в течение всего попуска измерялись скорости течения (непосредственно подо льдом) и уровни водной поверхности. На г/п 1 был установлен измерительный комплекс, состоящий из датчика уровня воды и регистрирующего устройства с выводом данных на компьютер. Дискретность измерений уровня составляла 5 сек. Скорости течения измерялись гидрометрической вертушкой Б-581Б с дискретностью 5 мин. На этом посту шуговой слой подо льдом составил 30 см. Из-за невозможности измерения скоростей течения непосредственно на фарватере, где они максимальны, измерения проводились со льда ближе к правому берегу.
На г/п 2 колебания уровня воды (И ± ЛИ) определялись с помощью гидрометрической рейки. Для контроля измерений уровня водной поверхности применялся самописец уровня "Валдай" (рис. 1). Скорости течения измерялись гидрометрической вертушкой ИСП-1 с дискретностью измерений 5 мин. На г/п 2 ледяным покровом было покрыто все русло и пойма реки. При прорубании льда для установки измерительной аппаратуры
Таблица 1. Скорости течения, м/с, на глубине 0.4 м от дна (в скобках - глубина потока Н, м, q - расход, Ак - превышение уровня; здесь и в табл. 2, 3 прочерк -измерения не проводились)
Время измерений
9:30 10:10 10:15 10:20 10:27 10:32 10:45 10:52 15:20
Номера промерных вертикалей,
3
(0.53) (1.00) (0.83) (0.92) (
0.25
0.38
0.28
7
0.28
0.38
0.45
13
<0.1
<0.1
0.48
18
0.23
0.46
0.36
25
0.85)
0.25
0.42
0.62 0.67
30 (0.89)
0.38
0.38 0.40 0.50
0.58
q, м3/с
6.345
11.652
17.526
Ак, см
0.00 0.04 0.07 0.11 0.16 0.18 0.28 0.30 0.47
здесь наблюдалось усиленное поступление в прорубь шуги и снежного сала. Слой шуги подо льдом составил 1.2 м при толщине льда 30 см, т.е. русло было забито ею на 50% (измеренная глубина составила 3 м). Динамика ледового покрова, состав и строение льда фиксировались визуально с помощью цифровой камеры. Также визуально определялся состав шуги, заполнявшей русло.
ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ НА Р. ОРЕДЕЖ ВО ВРЕМЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Попуск из водохранилища продолжался в течение суток, однако уже через 1.5 ч (после резкого увеличения) уровень воды и скорости течения стабилизировались. Измерения начались через 20 мин
h, см
50 40 30 20 10
К см
10
10
12 14
Время, ч
16
Рис. 2. Изменения уровня воды. 1 - г/п, электронный датчик (правая ось) , 2 - г/п, рейка (левая ось); 3 - самописец "Валдай" (правая ось).
после начала попуска. Начальные скорости течения до прохождения волны попуска составили 0.28-0.3 м/сек. Через 55 мин было зафиксировано первое потрескивание льда, еще через 10 мин вдоль берега образовались трещины во льду. Увеличилось количество плывущей шуги. Через образовавшиеся трещины на лед поймы начала поступать вода. Скорости течения увеличились до 0.4 м/с. На ств. 1 постепенное затопление поймы за 1.5 ч составило по ширине ~50 м. Вода поднялась надо льдом на пойме на 10 см.
На ств. 2 трещины во льду образовались вдоль всей береговой линии и поперек русла по линии свай моста. Вода затопила всю пойму перед мостом, а ее уровень поднялся на ~25 см. У г/п 1 через 4 ч 20 мин произошло затопление всей поймы. При этом скорости течения начали уменьшаться, а уровни воды продолжали плавно повышаться из-за подпора, образовавшегося ниже по течению. Мутность воды в реке увеличилась. Во всплывающей шуге появились вкрапления ила и песка. Далее шуга забила всю прорубь и измерения были прекращены.
Из-за быстрого снижения уровня воды после прохождения волны попуска и низкой температуры воздуха (до -17°С), над первоначальным ледяным покровом успел сформироваться новый слой льда. Уровень воды в проруби г/п 2 снизился на 40 см по сравнению с периодом попуска. Между слоем молод
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.