Оценка обмена вод на Камском водохранилище Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Оценка обмена вод на Камском водохранилище

А.Б. Китаев, А.В. Рочев

Пространственно-временные изменения водообновления на морфометрических участках исследуемого водоема оценены по выражению, предложенному А.П.Браславским [1]:

В=1 _ ( Wo )1+(Vc/Wt)/(1-(Wo/Wt))

Wt ,

где Wo и Wt-начальный и конечный для расчетного периода времени объемы воды в водоеме (морфоучастке), Ус-объем стока на замыкающем створе водоема.

Выбор приведенного коэффициента для оценки водообновления Камского водохранилища определяется тем фактом, что он достаточно хорошо зарекомендовал себя на водоемах Москворецкой системы [3,4]. Расчет произведен для всех морфоучастков исследуемого водоема с момента его создания и по 1987 г. В качестве временного периода принят месяц. Объемы воды в начальный и конечный моменты времени для каждого участка водоемов определялись по значениям уровней воды на граничных створах с использованием объемных кривых. Объемы стока через замыкающий створ участков были вычислены с использованием среднемесячных расходов воды по методике, разработанной Т.П. Девятковой [2].

Расчет водообновления на Камском водохранилище по формуле А.П. Браславского показывает значительные колебания В во времени и пространстве (рис. 1). Водооб-новление достигает максимума (единицы) в весенне-летние месяцы: с апреля по июль на самой р. Каме (0 участок), с апреля по июнь - в районе выклинивания подпора (I район). II и III районы отличаются уменьшением водообновления (значение В в весенний период не всегда достигает единицы), причём степень обновления в этот период в обоих районах практически одинакова. Весенний максимум обусловлен значительной сработкой водохранилища водой весеннего половодья.

В конце летнего периода отмечается уменьшение водообновления не только в районе озеровидного расширения и приплотинном районе, но также в I районе и в самой р. Каме. Значение В минимально в 3-м участке, особенно в августе.

В осенний период (сентябрь, октябрь) наблюдается увеличение коэффициента В. На р. Каме его значение достигает 1,0, в I районе составляет 0,99 и уменьшается до 0,4 во II (на 3-м участке), затем возрастает в III районе до 0,7.

Зимний период (ноябрь - февраль) отличается сначала медленным понижением коэффициента по сравнению с коэффициентом осенних паводков, а затем повышением значения и установлением практического равенства с ним.

В целом в течение года коэффициент повторяет ход водообмена, т.е. наступление максимума в весенне-летний период (апрель - июнь) - 0,9 - 1,0, после чего во время летних месяцев (июль - август) наблюдается заметное понижение до 0,4 -0,9, что вызвано испарением, малым притоком воды и регулирующей работой ГЭС. Повышение значения водообновления осенью (сентябрь - октябрь) до 0,5 - 1,0 вызвано значительными паводками. Зимой выделяются два периода водобновления: сначала уменьшение до 0,3 - 0,9 в ноябре - декабре, а затем повышение до 0,4 - 0,9 в январе - феврале. Последнее связано с уменьшением объёма водной массы к концу водохозяйственного года. В начале весеннего периода (марте) при продолжающемся ледоставе отмечается не-

© А.Б. Китаев, А.В. Рочев, 2006

которое увеличение объёма сработки ГЭС перед ожидающимся весенним наполнением водоёма, что неминуемо вызывает увеличение водообновления.

ГП 1'.,' /■ Ц V 1' ■'/!1 1 ' 1 I |1! • У г !Ь 1 -\1) \ ь с 1; 1 ■ - -1} <в ;; !<1 “й \ ■4 1» 1 I1 вс: . /! !!1 1 {н >4 !! ? М / 11 ;\ ) 1' !| ! 1 ■М'Ч '■ Г й > 1 1 V 1 Ы 4 г;\ ! Л ^> и -1 ■■ ч ;» < Г "1 > Ф V 11 Щ ;1 ( V ■! 5 '! Й •! /.' К:* ; 1 1 '■». 1 1 1 ^ 1 V/ тс-■* 1 ! №♦ Г\ 1 1 ;\! 1 ' , 1 [• # !гг- т ! * ! Г* ( : 1! /л ' и ' Й И ^ ! .. * ^ /1 [ 'V 1 \Г 1/,; V г ; Г у 1П Л1? Т Й 1 й? V и 1 г/1 ' 15Р, V Ч \ <1 ^ V IV ! 1 ! * !‘\ ■Л ?у /1V,' ' 'ц' ' ,! ' ^ С \ Й Ч 1 л ^ • :У 1 -1 у 11 1 ■■ 1Я и 1 Я ?\1 /' I Д 8 > < д| Г л] Л / * гл/ II *у -Ц- Иг - 1 ■ ^ У / 1 / (Г % ПУ"' 1 V1 Дь ? '■ 1 ?. \-•1 V |\ „ \ \ ' > ■ я *1У1 \| 1 ) -М 1- 1 1 'Г1 Г ТГ • 1 >) '1 ' 1 !А ■хЫ- ! ! '!: 4 5 г 1 М’>

: ■ ;!! !! Ш || п;- !; ! \ ■! !/у 1 1 / и ! 4 (л' 1 ■ ; ; 1 / ■ ) ;1 ! !! 1^1 VI \ л ; >. !\ ’> \! • \ / *,Л ■ 1 • 1 \ / | ' 'V ■ 11 г ■ • 1 / • ; / 1 1;.' ;1 ! К !..| 1 п \Д. Г7

1 ! ! \ !■' 1 ■ V И , '! ' 1 ■ !) 1' 1! ' !! 1 \ 1 V ‘у г ■

у : 1 Г

Ф

§0,6

0

1

ю

о

4 0,5

О

со

0 уч. -------1 уч.

2 уч.

3 уч.

6 уч.

8 уч.

9 уч.

Водообновление (В=1-^о/М)л(1+(УстМ1)/(1^оМ1)),У^=куб.м) на морфометрических участках Камского водохранилища в 1960 - 1973 гг.

1,0

0,1

Изменение коэффициента В при движении к плотине вызвано разными объёмами водной массы каждого участка, а следовательно, и разным временем водообмена при достаточно равномерном объёме сработки (расхода) по расчётным створам.

Максимальных значений водообновление достигает в районе выклинивания подпора, где не так явно сказывается регулирование, вызванное работой плотины ГЭС, и отмечается малый объём водной массы этого района.

Для 0 участка (Тюлькино - Березники) характерны самые большие значения коэффициента водообновления. В течение рассматриваемого периода (1959 - 1987 гг.) внутригодовое значение В было в пределах 0,9 - 1,0, причём почти в половине каждого года он был равен 1,0, а в 1965, 1968, 1976, 1977, 1978, 1980, 1981, 1982, 1984 гг. коэффициент был равен 1,0 в 9 месяцах. Минимальные значения коэффициента (от 0,92) характерны для зимнего периода (декабрь - февраль). После этого водообновление достигает максимума во время весеннего наполнения водохранилища, уменьшается в летний период (август - сентябрь) до 0,96, возрастает в период осенних паводков (до ноября) и вновь уменьшается с началом зимней сработки водоёма.

На 1-м участке (Березники - Быстрая) водообновление уменьшается по сравнению с р.Камой, что связано с увеличением объёма водной массы. Здесь коэффициент достигает 1,0 только в течение одного квартала календарного года (с апреля по июнь), кроме 1967, 1975 гг., когда в июне 1 была не достигнута. Наименьшее значение 0,725 было в январе 1960г. Водообновление изменяется от 0,7 до 1,0 и повторяет ход водообмена 0 участка.

2-й участок (Быстрая - Усть-Пожва) характеризуется сужением водоёма и, как следствие, уменьшением водной массы по сравнению с 1-м участком и, следовательно, более быстрым водообновлением. На участке в среднем 4 месяца каждого года коэффициент В равен 1,0 (апрель - июль), а его колебания составляют 0,8 - 1,0. В 1961, 1966, 1967, 1973, 1975, 1977 гг. лишь 3 месяца (с апреля по июнь) коэффициент достигал 1,0. В 1980 г. 1,0 была зафиксирована лишь в мае и июне. В 1962г. коэффициент В достигал 1,0 в апреле - июне и сентябре - октябре, в 1969 г. с апреля по сентябрь; 1978 г. отличается наступлением максимума с марта по июль, а также в октябре и ноябре; 1986 г. 1,0 - с апреля по ноябрь.

II район (озеровидного расширения) отличается наименьшим значением водообновления в Камском водохранилище. Это обусловлено большим объёмом водной массы. Как и на предшествующих участках, минимальные значения коэффициента приходятся на период зимней сработки водоёма и летний период, а максимальные - на весеннее половодье. Некоторое увеличение отмечается в период осенних дождевых паводков.

3-й участок (Усть-Пожва - Чёрмоз) является самым широким из всех морфоуча-стков водоёма и содержит наибольший объём водной массы. Водообновление может достигать 1,0 один раз в год (в мае) и изменяется от 0,3 до 1,0. В 1961, 1962, 1966, 1967, 1970, 1973, 1975, 1977, 1978,1983 гг. коэффициент не достиг 1,0 ни в один из месяцев. Наименьшее значение было в январе 1961 г. -0,34. Увеличение коэффициента осенью связано также с впадающими крупными притоками - реками Косьва и Иньва.

На 6-м участке (Чёрмоз - Слудка) водообновление несколько выше: колеблется от 0,4 до 1,0, и равняется 1,0 в мае. Общий ход водообновления повторяет его динамику в предыдущем районе, т. е. максимальные значения наблюдаются в весенний период (апрель - июнь), составляя 0,9 - 1,0, после чего коэффициент понижается до 0,4 - 0,5 в августе, и в результате воздействия осенних осадков повышается к сентябрю -октябрю до 0,6 - 0,7; зимний период (декабрь - февраль) отличается минимальным водообнов-лением - 0,3 - 0,4. Минимальное значение относится к декабрю 1959 г. -0,44. В много-

водном 1979 г. коэффициент достигает 1,0 в мае и июне, а в маловодном 1967 г. в мае -0,97.

В III районе (приплотинном) наблюдается повышение коэффициента по сравнению со II районом. Это вызвано меньшим объёмом водной массы.

На 8-м участке (Слудка - Добрянка) коэффициент водообновления достигает

1.0 в мае, его наибольшие значения регистрируются в период апрель - июль. Значение, равное 1,0, не отмечалось в 1962, 1966, 1967, 1969, 1973, 1983, 1984, 1975, 1977 гг. В

1965, 1974, 1979, 1981, 1985 гг. наблюдается 1,0 за 2 месяца - май - июнь. Значение коэффициента колеблется в течение года от 0,6 до 1,0. Минимум 0,61 относится к декабрю 1959 г. Маловодный 1967 г. в мае дал коэффициент 0,99, 1975 г. - 0,98.

9-й (приплотинный) участок (Добрянка - КамГЭС) характеризуется повышенной по сравнению с предыдущим участком величиной водообмена. Для него колебания составляют от 0,7 до 1,0. Этот участок более узок, чем предыдущий, хотя объёмы воды практически одинаковы, кроме того, сказывается близость к плотине ГЭС и впадение крупного притока (вода Сылвенско-Чусовского плёса). В течение года водообновление повторяет его ход в других районах: весенний максимум наступает в мае - июне, после чего незначительно понижается (до 0,9) в июле и резко уменьшается до 0,6 к зимнему периоду (декабрю - февралю), лишь октябрь отличается повышением коэффициента на 0,1 по сравнению с предыдущими месяцами. За март - апрель значение коэффициента повышается на 0,2 - 0,3. Коэффициент достигает 1,0 в мае и в июне (1961, 1964, 1965, 1968, 1969, 1971, 1972, 1974, 1979, 1981, 1985 гг.). но в тот же период 1959, 1960, 1962,

1966, 1967, 1975, 1977, 1980, 1983, 1986 гг. коэффициент, равный 1,0, не был зафиксирован. Минимальное значение 0,72 приходится на февраль 1975 г.

Изменение водообновления в различные по водности годы прослеживается не столь отчетливо, как изменение водообмена. Это объясняется рамками самого значения коэффициента 0<В<1. Кроме того, так как Камское водохранилище относится к аккумулятивно-транзитной группе водоёмов с большим водообменом, то формула не может отразить водность года из-за незначительных отклонений коэффициента из года в год. За исследуемый период различную водность можно определить по пределам колебаний значений водообновления. В I районе коэффициент изменялся от 0,7 до 1,0 в 1959 -1962, 1973; от 0,8 до 1,0 - в 1963, 1966 - 1972, 1974 - 1976, 1979 - 1981, 1983, 1985 -1987г.г., а максимальные значения (более 0,9) были зафиксированы в 1964, 1965, 1977, 1978, 1982, 1984 гг. Для II района значение коэффициента колебалось от 0,3 до 1,0 в 1959 - 1962, 1975, 1980, 1985; от 0,4 до 1,0 - в 1963, 1964, 1966 - 1974, 1976, 1977, 1986 - 1987; от 0,5 до 1,0 - в 1965, 1978, 1979, 1981 - 1984 г.г. В III районе колебание 0,6 -

1.0 наблюдалось в 1959 - 1962, 1966, 1975, 1976, 1980, 1986; 0,7 - 1,0 - в 1963 - 1965, 1967 - 1974, 1977, 1978, 1982, 1983, 1985, 1987; 0,8 - 1,0 - в 1979, 1981, 1984 гг. Можно видеть, что наименьшая водность отмечалась во всем водохранилище до 1962 г., в 1975 и 1980 гг., а наибольшая - в 1965, 1978, 1979, 1981, 1984 гг., 1967 и 1979 гг. как маловодный и многоводный соответственно дают отличия коэффициента на 0,1 - 0,2 по всем участкам и месяцам.

Библиографический список

1. Браславский А.П. Расчет минерализации воды в водохранилищах / А.П.Браславский // Гидрохимические материалы. 1961. Т.32. С.72 - 96.

2. Девяткова Т.П. К вопросу об определении среднемесячных расходов воды в водохранилищах / Т.П.Девяткова // Анализ и прогноз метеорологических элементов и речного стока. Вопросы охраны среды. Пермь, 1979. С.129 -134.

3. Штефан В.Н. К расчету водообмена долинных водохранилищ / В.Н.Штефан // Вестн. Моск.ун-та. Сер. 5, география. 1975. №5. С. 71 - 75.

4. Штефан В.Н. Показатели водообмена водохранилищ / В.Н.Штефан, К.К.Эдельштейн // Матер. 5-го Всесоюз. науч. симпозиума по современным проблемам самоочищения и регулирования качества воды. Таллин, 1975. Секция 4.Ч.11. С.262 - 267.