CC BY
33
УДК 556.5(282.247.416.8)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ ВОД ДОЛИННОГО ВОДОХРАНИЛИЩА
© 2009 А.В. Рахуба
Институт экологии Волжского бассейна РАН, г. Тольятти e-mail: [email protected] Поступила 4.07.2008
На основе натурных и модельных экспериментов рассматриваются особенности гидродинамического режима Саратовского водохранилища и его влияния на процессы формирования зон неоднородности качества вод во времени и пространстве в условиях суточного регулирования стока.
Ключевые слова: гидродинамический режим, Куйбышевское водохранилище.
Воды, заполняющие объем водохранилищ неоднородны по ряду физических и химических характеристик. Основная причина неоднородности качественного состава вод водохранилищ состоит в том, что в них скапливаются генетически различные водные массы, поступающие из притоков и других водохранилищ. С течением времени эти объемы воды изменяют свои исходные характеристики, флуктуацию которых, зачастую, трудно предсказать в условиях постоянного регулирования стока. В данной работе представлены результаты исследования изменчивости зон пространственной неоднородности вод Саратовского водохранилища. В качестве интегральных показателей неоднородности выбраны удельная электропроводность (УЭП) и температура (Т) воды.
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ВОДОХРАНИЛИЩА
Среди всей совокупности динамических, а также гидрохимических и гидробиологических процессов важным фактором, определяющим гидроэкологическую структуру вод Саратовского водохранилища, является суточная и недельная изменчивость стокового течения, обусловленная неравномерным режимом работы Жигулевской и Балаковской ГЭС. Оба этих гидроузла осуществляют попуски воды в синхронном суточном режиме. В результате, на всем протяжении водохранилища прослеживаются интенсивные, периодические колебания уровня воды (рис. 1). Типичным для режима уровня Саратовского
Александр Владимирович Рахуба, научный сотрудник лаборатории мониторинга водных объектов.
водохранилища является более значительные суточные колебания в районе нижнего бьефа и небольшие - в районе приплотинного плеса. При таком колебании уровня на водохранилище образуются длинные прямые и обратные волны, которые усложняют режим стокового течения.
В период летней межени нами были проведены суточные наблюдения, в районе устья р. Сок, в районе водозабора г. Самара и ниже поймы (переволокский плес) в пос. Пе-черское, которые показали, что при прохождении гребня волны попуска часть воды поступает в пойму и притоки. Затем накопленная вода возвращается в водохранилище, когда ГЭС начинают работать на малых нагрузках - это в основном в ночные и утренние часы и в выходные дни [1, 2]. Именно в это время на водохранилище формируются обширные зоны пространственной неоднородности качества вод.
На рис. 1 представлены результаты ежечасных гидрологических наблюдений в зоне подпора р. Сок, на которых видно, как в зависимости от уровня воды на Саратовском водохранилище, и, соответственно, направленности течения меняются значения УЭП в поверхностном слое воды. Так, наибольшие значения УЭП и ряда других химических показателей наблюдаются, в ночные и утренние часы, когда уровень падает, и возрастают скорости течения, направленные из р. Сок в водохранилище. Наименьшие значения этих показателей наблюдаются в дневные и вечерние часы при снижении уровня и появления обратных течений из водохранилища в реку. Исследования показывают, что воды р. Сок, попадая в Саратовское водохранилище, распространяются в нем самостоятельным
потоком. В контрольном створе I (рис. 2), и низкого уровня (6 часов) было проведено
расположенном на 1,3 км ниже впадения зондирование поперечного сечения водной
притока, где в характерные фазы высокого массы водохранилища (рис. 3). уровня (19 часов), снижения уровня (2 часа)
1000 800 600 400 200
12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 2:00 4:00 6:00
Часы суток
00 10:00 12:00
Рис. 1. Совмещенные графики расхода воды - м3/с (1 - в водохранилище, 2 - из водохранилища), УЭП в поверхностном слое - мкСм/см (3) и уровня воды - мм (4) в зоне подпора р. Сок 17-18.07.2002
Рис. 2. Схема расположения контрольного створа измерения
Рис. 3. Поперечный разрез УЭП воды в контрольном створе I: а - 19 часов, б - 2 часа, в - 6 часов
0
- - 400 й
О
390 |
В
-- 370
11:40 13:21 15:07 16:54 18:37 20:21 22:02 23:45 1:29 3:15 4:57 6:40 8:29 10:14
Часы суток
Рис. 4. Суточный ход УЭП и температуры воды в придонном слое в районе водозабора г. Самара (НФС-2) 24-25.08.2006
На момент начала измерений фоновый показатель УЭП волжской воды составил 370 мкСм/см, а р. Сок - 1250 мкСм/см. Минерализация вод притока оказалась выше фонового в 3,4 раза. Проведенное зондирование в вечерние часы (рис. 3а) не выявило значительных неоднородностей вод. Обычно в это время р. Сок находится в подпоре и ее воды в водохранилище практически не попадают. Небольшое превышение УЭП на 40 мкСм / см выше фона наблюдалось лишь в толще воды у левого берега. В ночные и утренние часы, когда нагрузка на гидроузлах снижается и уровень падает, воды притока проникают в водохранилище (рис. 3б). Высокоминерализованные воды р. Сок, частично смешиваясь с волжскими, опускаются на глубину и, протекая по дну, достигают водозабора г. Самара (рис. 4). Максимальные значения УЭП воды в придонных слоях достигает 700-800 мкСм/см (рис. 3в). При этом разница УЭП воды в поверхностном и придонном горизонтах составляет 435 мкСм/см,
что свидетельствует о высокой неоднородности воды Саратовского водохранилища рассматриваемого участка исследования.
Такой же цикличный процесс, как и с притоками, наблюдается и в случае взаимодействия основного русла и поймы в районе переволокского плеса. При прохождении гребня прямой волны часть воды задерживается в пойме, которая возвращается обратно в русло во время снижения расхода воды на ГЭС. Попадая в водохранилище, пойменные водные массы формируют обширные зоны загрязнения, которые затем сносятся основным и возвратным стоковым течением. В результате чего, в течение суток в этом районе наблюдаются противофазные колебания расхода и УЭП воды (рис. 5). На графике видно, как в пос. Печерское в вечерние часы при увеличении расхода воды УЭП пропорционально снижается, а при уменьшении расхода воды в ночные и утренние часы -повышается.
г 9000 8500 8000 7500 Ц 7000 ^ 6500 СУ 6000 5500 I- 5000
15:00 17:00 19:00 21:00 23:00 1:00 3:00 5:00
Чсысы суток
7:00 9:00 11:00 13:00 15:00
Рис. 5. УЭП в среднем сечении потока и расход воды в створе пос. Печерское 1112.10.2001
420
410
360
Особо следует отметить, что в ночное время и в выходные дни уровень воды в районе прилегающей поймы держится значительно выше, чем на вышележащем участке, что приводит к появлению обратных уклонов и формированию возвратного стокового течения, которое определяют размеры и форму зон пространственно-временной неоднородности качества вод.
СИСТЕМА ПЛАНОВЫХ ИЕРАРХИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ
Исходя из полученных результатов натурных наблюдений, для определения параметров течения и выяснения характера распространения водных масс в условиях неустано-
С С
и = | ий1 и V = | уйъ имеют вид: - А - А
'и2 + ( иК^ н 0 \ н
U +
вившегося гидродинамического режима был проведен ряд численных экспериментов на двумерных (плановых) математических моделях Саратовского водохранилища.
Разработка моделей водохранилища осуществлялась на основе программных систем «CARDINAL» и «ВОЛНА», в которых для описания движения воды и примесей использовались уравнения теории длинных волн, имеющие также название "уравнения мелкой воды", и уравнение конвективно-диффузионного переноса примеси [3].
В двумерной постановке уравнения для полных потоков, где:
+ gH Zx
IV + ca P^Wx)
|W| - fHO U|V| + KL^U + PPX,
H 2
p dx
(1)
V +
VU H
+
V2 H
+ gHZv = -lU + Ca
P<L P
W
(y)
W| - F|V| + KÑV + , H2 l P°y
(2)
x
Z + Ux + К = 0,
(3)
(CH)t + (UC)x + (VC)y = E HÑ 2(CH) - rCH + Csws
(4)
где u(x,y,t) и v(x,y,t) - усредненные по глубине продольная и поперечная скорости, h(x,y) - невозмущенная глубина, Z(x,y,t) — уровень на свободной поверхности, H = (h+Z) - полная глубина, д - ускорение свободного падения, l = 2ю sin - параметр Кориолиса, ю = 2 /сут. - угловая скорость вращения земли, - географическая широта, са - безразмерный коэффициент аэродинамического сопротивления водной поверхности, ра / р = о 001 - отношение плотностей воздуха и воды, W(x) и W(y) - компоненты составляющей скорости ветра, W - результирующий вектор скорости ветра, fgHO = g/C2 - безразмерный коэффициент придонного трения (С - коэффициент Шези), Pa -атмосферное давление, C - концентрация, E
- коэффициент горизонтальной диффузии, r
- коэффициент неконсервативности, Cs -концентрация примеси в воде, поступающая из источника, ws - объем воды, поступающий в единичный объем за единицу времени из внутренних источников.
Гидродинамические уравнения решаются при задании граничных условий для и, V, С. На твердых боковых границах нормальная компонента скорости ип равна нулю. Для тангенциальной компоненты и вводится квадратичный закон трения, аналогичный придонному. На открытых боковых границах задается расход воды как функция времени: Яп = /О Для открытых боковых границ свободного ухода волн за пределы расчетной области задается линейная зависимость между нормальной компонентой скорости и уровнем: ип = ±(д/Н)^ £ Уравнение переноса примеси решается с краевым условием:
Е 8С I „
Е 8п = 0, где п - нормаль к боковой
поверхности .
На открытых границах, через которые вода поступает в расчетную область, задается временный ход концентрации примеси С = ((О. На открытых границах, через которые вода вытекает из расчетной области, граничные условия для С не задаются.
Моделирование проводилось на двух моделях регионального (модель 1) и локального (модель 2) масштаба. Первая - общая модель разработана для всего Саратовского водохранилища от Жигулевской до Балаков-ской ГЭС и состоит из 10 125 узлов расчетной криволинейной сетки с шагом 100-500 м. Морфометрические границы расчетной области задавались в достаточно близком приближении к реальному контуру водохранилища, в соответствии с лоцманскими картами. Исключение составили пойменные участки, где в целях упрощения сложной конфигурации области задавались открытые боковые границы с известным гидрологическим режимом. Вторая - локальная модель создавалась для участка впадения бокового притока Сок и акватории водохранилища, прилегающей к г. Самара, протяженностью в 13 км по судовому ходу. Она реализована на прямоугольной сетке с шагом 50 м и состоит из 15 340 расчетных узлов.
Адаптация и калибровка построенных моделей осуществлялась путем подбора оптимальных модельных параметров и уточнения морфометрических характеристик объекта моделирования. Определение модельных параметров велось методом идентификации с использованием гидрологической информации, полученной на отдельных участках Саратовского водохранилища. В результате калибровки были получены для модели 1 следующие коэффициенты: шероховатости п = 0,02, горизонтального турбулентного обмена К^ = 2,5 м2/с, турбулентной диффузии Е = 3,0м2/с, бокового трения на границах расчетной области £бок = 0,01; для модели 2 соответственно - п = 0,02, 1К = 50 м2/с, Е = 3,0м2/с и £бок = 0,01.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ВОДНЫХ МАСС НА ВОДОХРАНИЛИЩЕ
Первая серия численных экспериментов была проведена на региональной модели 1 по расчету неустановившегося гидродинамического режима водохранилища и распространения водных масс притоков в этих условиях для временного интервала 2 сут. В качестве граничных условий на входе для Жигулевской ГЭС был задан типичный суточный расход воды для рабочего дня (пятница) и выходного дня (суббота) и такой же продолжительности суточный ход уровня воды на выходе для Балаковской ГЭС. В модели были учтены 4 основных притока: реки Самара, Сухая Самарка, Чапаевка, Безенчук, расположенных в пойменной части Саратовского водохранилища и р. Сок, расположенной выше поймы. Все эти притоки находятся в зоне влияния попусков с ГЭС, и для них в модели на границе впадения задавалась интенсивность водообмена: положительные и отрицательные расходы, соответствующие по времени фазам максимального и минимального уровня водной поверхности. Во время повышения уровня воды на открытой границе притоков задавался временный ход отрицательных расходов, при которых вода вытекала за пределы расчетной области. При снижении уровня воды задавался положительный расход, при котором вода втекала через открытые границы притоков. Наибольший расход воды и УЭП через границу р. Сок составил 300 м3/с и 1250 мкСм/см, р. Самара - 1200 м3/с и 625 мкСм/см, р. Сухая Самарка - 695 м3/с и 400 мкСм/см, р. Чапаевка - 700 м3/с и 420 мкСм/см, р. Безенчук - 705 м3/с и 410 мкСм/см. Фоновый показатель УЭП на Саратовском водохранилище составил 370 мкСм/см.
140 120 100 80 60 40 20
п.Печерское г.Самара
Жигулевская ГЭС Балаковская ГЭС
0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00
Часы суток
Рис. 6. Модельный расчет ежечасных колебаний уровня воды на Саратовском водохранилище над «0» графика
Рис. 8. Модельный расчет пространственного распределения УЭП в верхней части Саратовского водохранилища на момент 22 часа
Согласно модельным расчетам, во время прохождения прямых волн от Жигулевской ГЭС по Саратовскому водохранилищу возникает обратный уклон. Так, в нижнем бьефе Жигулевской ГЭС в рабочие дни в период с 2 до 6 часов и у г. Самара в период с 4 до 7 часов отметка уровня воды ниже, чем в п. Печерское, а в выходные - с 3 до 11 часов (рис. 6 и 7). При таком распределении уровней на участке от г. Тольятти до пос. Печер-ское местами, как на мелководье, так и в русловой части водохранилища, образуются застойные зоны, а также могут возникать слабые (0,01-0,05 м/с) обратные течения.
Благодаря указанным особенностям гидродинамики, впадающие речные водные массы притоков формируют на Саратовском водохранилище две масштабные зоны неоднородности качества вод (рис. 8). Первая крупная зона (зона 1) образуется под влиянием р. Сок и вытягивается в длину на расстояние 16-20 км по всей ширине русла. Ядро концентрации водной массы р. Сок составляет 500-600 мкСм/см и проходит через акваторию, прилегающую к левому берегу г. Самара за 10 часов (рис. 9а). Спустя сутки, к 20-22 часам, водные массы р. Сок, частично смешенные с основной водной массой, достигают границы впадения р. Самара и
сливаются с ней, образуя вторую зону неоднородности (зона 2). Вторая зона с ядром концентрации 500 мкСм/см (рис. 9б) вытягивается вдоль прилегающей поймы на расстояние 25-30 км по всей ширине русла, где в нее (по ходу ее движения) добавляются водные массы рек Сухая Самарка, Чапаевка и Безенчук. На вторые сутки водные массы притоков достигают створа полного смешения пос. Печерское. Значения УЭП в этом районе уже не превышает 10-15 мкСм/см фонового значения (рис. 9в).
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ВОД В РАЙОНЕ ПИТЬЕВОГО ВОДОЗАБОРА Г. САМАРА
Другая серия модельных расчетов была проведена на локальной модели (модель 2). В ней детально отображены границы береговой линии и устьевой участок р. Сок, что позволило смоделировать колебательный характер течения в устье (изменчивость скорости и направления течения в зоне выклинивания подпора) и количественно оценить интенсивность поступления водных масс р. Сок в Саратовское водохранилище в зависимости от гидродинамического режима [4].
В качестве граничных условий в модели 2 задавался суточный ход расхода воды полученный на модели 1. Расход р. Сок задавался
постоянный равный 15 м3/с, УЭП воды -1250 мкСм/см. Фоновое значение УЭП основной водной массы водохранилища задавалось 370 мкСм/см.
Полученные результаты на 2 модели показывают, что воды р. Сок распространяются по течению Волги вдоль левого берега поло-
сой с шириной в 400-500 м и имеют цикличный характер с суточной периодичностью (рис. 10). Дальше возле о. Красноглинский поток разделяется на правый и левый. Левый проходит вдоль левого
Рис. 9. Временная изменчивость УЭП, расход Q и уровень H воды в створах: а - створ II водозабор г. Самара, б - створ III пос. Винновка, в - створ IV пос. Печерское (ширина русла показана от левого берега)
Рис. 10. Расчет на локальной модели распространения вод р. Сок в Саратовском водохранилище
берега (УЭП 400-420 мкСм/см), а правый с правой стороны. Расстояние в 13 км от (УЭП 425-440 мкСм/см) огибает о. Серный устья р. Сок до водозабора г. Самара оба
этих потока проходят с разной скоростью. Время добегания вод р. Сок до водозабора в правом потоке составляет 14 часов, и в левом из-за низкой его скорости - 33 часа. За 2 км до створа водозабора г. Самара потоки встречаются и, смешиваясь в прибрежной зоне, доходят до последнего единым потоком.
Модельные расчеты распространения водных масс р. Сок на моделях 1 и 2 показывают, что в рабочие дни с 16 до 2 часов в районе водозабора г. Самара УЭП воды может превышать фоновые значения на 74% (по модели 1) 11% (по модели 2) с прохождением максимума УЭП в 20-22 часа по московскому времени (рис. 9а). В выходные дни вследствие снижения расхода на ГЭС и образования возвратного течения, в районе впадения р. Сок формируется зона неоднородности, которая распространяется как ниже, так и выше места впадения.
Для отслеживания и прогнозирования качества вод в районе водозабора г. Самары в связи с антропогенным воздействием особое значение имеют гидрохимические данные по группе главных ионов, изменение концентраций которых является одним из признаков загрязнения водных объектов. Поэтому на модели 2 дополнительно были выполнены расчеты распределения сульфатов, содержание которых в реке Сок в 6 - 7 раз превышает его содержание в водохранилище. Расчеты проводились для недельного периода (7 дней), начиная с выходного дня (воскресенье), когда попуски ГЭС на водохранилище минимальные. В качестве начального условия для расчета задавалось поле скоростей, рассчитанное для малых расходов на водохранилище с фоновой концентрацией сульфатов 70-73 мг/л.
6000 -5000 -4000 -3000 -2000 -
.о 5 ю >
О 1000 -0 -0:
00 12:00 :00 12:00 0: 00 12:00 0:0 0 12:00 0:0 0 12:00 0:0 0 12:00 0:0 12:00 0:00 12:00 0: 00
ПН ВТ СР ЧТ ПТ СБ ВС
Рис. 11. Расчетные расход воды и концентрация сульфатов в 200 м от левого берега в створе II (водозабор г. Самара)
Как видно из графика, повышение концентрации сульфатов в створе водозабора г. Самара в течение недели имеет суточную периодичность. Максимальные всплески концентрации приходятся на 20-22 часа и составляют 80-83 мг/л, превышая фоновые значения на 18-19%. В течение суток в субботу концентрация сульфатов не повышается и равна фоновому значению. Самое продолжительное превышение концентрации сульфатов прослеживается в воскресенье с 0 часов, постепенно снижаясь к понедельнику.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Установленная в результате моделирования неоднородная пространственная структура качества вод Саратовского водохранилища показывает, что неустановившийся гидроди-
намический режим не только не способствует равномерному распределению гидрохимических показателей, но, наоборот, создает условия для формирования локальных зон с ярко выраженной неоднородностью качества вод. Интенсивность поступления речных водных масс, несущих основную антропогенную нагрузку через границы боковых притоков, а также их динамика, зависят от суточного колебания уровня на водохранилище. При высоком стоянии уровня воды в дневные часы воздействие боковых притоков на водохранилище незначительно или вообще отсутствует, а в ночные часы и выходные дни оно резко возрастает с понижением уровня. Расчеты показывают, что масштабные зоны неоднородности качества воды формируются в акватории прилегающей к г. Самара и в районе
поймы, причем динамика распространения этих зон определяется как прямым, так и обратным стоковым течением.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Чигиринский П. Ф. Динамика водной поверхности Саратовского водохранилища // Сб. раб. Тольяттинской ГМО. Вып. 11. Л., 1979.
2. Вишневский В.И. Об изменениях скорости и направления течения под влиянием сбросов ГЭС. //IV конф. «Динамика и термика рек, водохра-
нилищ, внутренних и окраинных морей». Т. 1. Москва, 1994.
3. Вольцингер Н.Е., Пясковский Р.В. Теория мелкой воды. Океанологические задачи и численные методы. Л.: Гидрометиздат, 1977.
4. Рахуба А.В. Оценка качества вод Саратовского водохранилища в районе питьевого водозабора г. Самара // Водное хозяйство России, 2005. Т. 7, №6.
EXPERIMENTAL RESEARCHERS OF SPATIAL-TEMPORAL HETEROGENEITY OF WATERS IN THE VALLEY RESERVOIR
© 2009 A.V. Rakhuba
Institute of Ecology of Volga River Basin of Russian Academy of Sciences, Togliatti
On the basis of natural and modeling experiment consideration of peculiarities of a hydrody-namic mode in the Saratov reservoir and its influence on processes of formation of zones of heterogeneity of quality of waters in time and space in conditions of daily regulation of stream flow. Key words: a hydrodynamical mode, Kuybyshev reservoir.
