CC BY
19УДК 556.537
A.А. Сазонов, профессор ВГАВТ
B.К. Калюжный, первый зам. руководителя “Камводпуть "
ОСОБЕННОСТИ РУСЛОВОГО РЕЖИМА ЗОНЫ ПЕРЕМЕННОГО ПОДПОРА КАМСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА
В статье рассматриваются особенности руслового режима зоны выклинивания подпора Камского
водохранилища, приводятся выводы о характере русловых процессов на различных участках зоны переменного
подпора, интенсивность отложения наносов и их влияния на изменения судоходных условий в этой зоне.
Зоны переменного подпора водохранилищ обладают своими особенностями руслового и гидрологического режимов и являются недостаточно изученными водными объектами.
При больших весенних расходах движение потока воды, в зоне переменного подпора, практически соответствует естественному состоянию реки, а с уменьшением расходов воды она подвержена подпору. В результате этого русловые процессы в этой зоне носят нестабильный своеобразный характер, что со временем создает довольно большие проблемы для судоходства и других водопользователей.
Характерным примером этого является Камское водохранилище, зона выклинивания подпора которого (переменного подпора) составляет около 160 км (50% от всей его протяженности). Она начинается в районе поселка Пожва и заканчивается у Селения Шишигина на реке Каме, что в 46 км выше устья реки Вишера. По реке Вишера она распространяется до селения Березовая Старица.
В настоящее время вся основная водохозяйственная деятельность сосредоточена в районе городов Соликамск и Березники, т.е. в средней части этой зоны. Здесь имеется большое количество причалов различных предприятий, воздушные и подвижные переходы, водозаборы, водовыпуски, автомост и другие объекты, чья деятельность в значительной степени зависит от руслового режима. Обеспечение нормальных условий судоходства на этом участке водных путей и уменьшение вредного воздействия на объекты водопользования, требует постоянного изучения и прогнозирования происходящих здесь русловых процессов. Однако специальные исследования и наблюдения на данном участке за деформацией русла на данный момент не проводятся. Поэтому для оценки русловых процессов в зоне выклинивания Камского водохранилища нами были использованы следующие материалы подразделений Камводпути: планы русловых съемок и поплавочных наблюдении за многолетний период, однодневные связи и нивелировка рабочих уровней воды, сведения о выполнявшихся дноуглубительных и русловыправительных работах, а также некоторые данные наблюдений Росгидромета.
Отсутствие наблюдений за расходом воды, режимом наносов, изменением состояния поймы, а также данных о геологическом строении русла и поймы, безусловно сказывается на качестве анализа и прогноза развития русловых процессов. Однако, несмотря на это, полученные нами результаты исследований являются достаточными для эффективного использования в практической работе.
Камское водохранилище можно отнести к озерно-речному типу с верхним речным участком. Русла Камы и Вишеры в границах зоны выклинивания подпора прямолинейные, врезанные. Преобладающий состав донных отложений - пески и гравий, пойменных - пески и глины.
При сравнительно небольшом среднегодовом стоке наносов (290 тыс. тонн в створе гидропоста Г айны на Каме и около 250 тыс. тонн на Вишере ниже устья Колвы) русло характеризуется высокой устойчивостью. Плановые деформации русла практически отсутствуют, высотные (колебания отместок дна на перекатах) в течение навигации достигают 1,5 м.
Преобладающие типы руслового процесса: на Вишере - побочневый, на Каме - побочневый с элементами осередкового. Гидравлические параметры потока по длине изменяются постепенно. Средние уклоны у верхней границы выклинивания подпора составляют 0,08-0,09, средние скорости течения до 1,5 м/с в половодье и 0,5-1,0 м/с в межень.
Сложная взаимосвязь режима наполнения водохранилища со сроками прохождения весеннего половодья на основных притоках обуславливает многовариантность положений границ зоны выклинивания подпора в период прохождения руслоформирующих расходов. Сдвиг по фазе прохождения половодья на южных притоках Сылве и Чусовой с Верхней Камой обычно составляет 10-15 суток, между Верхней Камой и Вишерой - 5-8 суток. К моменту прохождения пиковых уровней по гидропосту Бондюг (в среднем 11 мая) водохранилище обычно бывает наполнено до отметки 106,5 м, а к 19 мая (пик по гидропосту Рябинино) - до отметки 107,65 м. Поэтому верхняя граница зоны выклинивания подпора уже в начальной фазе поводья находится примерно на 15-20 км выше устья Вишеры.
Зона выклинивания подпора расположена в районе слияния двух практически равнозначных рек - Камы и ее левого притока Вишеры, несовпадение фазовых гидрологических характеристик которых создает периодические взаимные подпоры. До начала спада уровней воды на Верхней Каме устьевой участок Вишеры находится в ее подпоре. Затем здесь действует только подпор Камского гидроузла, а участок Камы
выше впадения Вишеры оказывается в зоне действия двойного подпора: Вишеры и Камского водохранилища, но продолжительность его эффективного воздействия значительно меньше.
Значительные колебания объема стока воды по годам и его внутригодовое распределение в сочетании с трудно предсказуемой величиной навигационной сработки водохранилища осложняют прогнозирование русловых деформаций. Например, в маловодные 1972 и 1973 годы минимальные навигационные уровни были выше проектных значений, а в многоводные 1974, 1979 и 1981 г.г. водохранилище было сработано значительно больше (в 1981 г. - ниже УНС).
В связи с глубокой зимней ежегодной сработкой водохранилища годовая амплитуда колебаний уровней воды достигает 8,5 м, что обуславливает большие изменения протяженности и подвижность зоны выклинивания подпора. Ступенчатый режим сработки, определенный действующими правилами использования водных ресурсов водохранилищ, на длительные периоды времени фиксируют два основных положения зоны, соответствующих стоянию уровней в диапазоне отметок 108,5-108,0 (в среднем 2/3 навигационного периода) и в районе отметки проектного уровня 107,0 м (2-3 недели). Это приводит к образованию узлов концентрации наносов внутри зоны.
По данным выполненных однодневных связок и нивелировок рабочих уровней воды удалось достаточно точно определить верхнюю границу зоны выклинивания подпора на реке Вишера, которая располагается на 46 км, что на 30 км выше общепринятого до настоящего времени ее положения. Это свидетельствует о недостаточной точности расчетов применявшихся при проектировании водохранилищ.
К сожалению, из-за отсутствия многолетних специальных наблюдений за уклонами водной поверхности в периоды стояния уровней водохранилища в диапазоне отметок, близких к НПУ, нам не удалось проследить динамику изменения верхней границы зоны выклинивания подпора и установить взаимосвязь ее с процессами занесения (заиления) русла.
Однако, по результатам анализа кривых свободной поверхности при различных отметках наполнения Камского водохранилища, получены следующие результаты отклонения в большую сторону, по сравнению с имеющимися данными, длины кривой подпора: при отметке ПНУ равной 108,5 м - на 29 км; при проектном уровне 107,0 м - на 46 км; при УНС равном 106,0 м - на 55 км. Все это говорит о фактическом увеличении пропускной способности русла.
Анализ кривых подпора и данных поплавочных наблюдений выявил постепенное затухающее выравнивание уклонов водной поверхности и скоростей течения по длине зоны выклинивания подпора. При этом в каждом положении зоны выклинивания внутри нее сохраняется по 1-2 точки перегиба кривой свободной поверхности.
Как известно при создании водохранилища значительно изменяется русловой режим реки, что характерно как для озерной, так и озерно-речной частей водохранилища. Представляет особый интерес изменение руслового режима участка зоны выклинивания подпора с изменяющимися отметками уровней воды.
Для оценки характера руслового режима этой зоны нами проведен анализ планов русловых съемок и дноуглубительных работ, выполнявшихся в течение 40 лет эксплуатации водохранилища. В результате были установлены следующие характерные особенности руслового режима зоны выклинивания подпора Камского водохранилища.
В зоне выклинивания подпора отмечается ярко выраженное ее разделение на три характерных участка: верхний (выше Боровска) - протяженностью 72 км с интенсивными русловыми деформациями, средний (между Боровском и Орлом) - протяженностью 56 км со спокойным протеканием и преимущественно односторонней направленностью руслового процесса и нижний (ниже пос. Орел) - протяженностью 39 км, где отмечается только заиление акватории. Верхний участок соответствует границам зоны выклинивания подпора в диапазоне отметок уровня выше 106,5 м, т.е. периоду физической навигации. Средний - границам зоны в период дальнейшей зимней сработки водохранилища до отметки 105,0 м. Нижний участок соответствует крайне редкому (1 раз в 4 года) и короткому периоду сработки до предельной предполоводной отметки 100,0 м.
Анализ распределения объемов дноуглубительных работ (рис. 1) показывает приуроченность перекатов с наиболее интенсивными русловыми деформациями к границам зоны выклинивания, в фиксированных ее точках при отметках 108,5 м и 106,0 м, а также к точкам излома кривых подпора. Это совпадает с выводами А.В. Караушева и подтверждает правильность построения этих кривых.
Здесь же четко прослеживается увеличение заносимости перекатов на Вишере в многоводный 1979 год, а на нижерасположенном участке Камы - в маловодный 1975 год. Это явление хорошо объясняется смещением кривой подпора и связанной с ней зоной интенсивного отложения наносов вниз по течению по мере сработки водохранилища при одновременном размыве вышедших из подпора перекатов.
расстояние от верхней зоны выклинивания, км Рис. 1. Распределение объема дноуглубительных работ в зоне выклинивания подпора
Нами также была сделана попытка подтвердить эти заносимости путем анализа объемов дноуглублении за 1959-1979 г.г. Было установлено, что связь объемов дноуглубления на перекатах с объемами годового стока, стока половодья и величиной навигационной сработки водохранилища далеко не однозначна. Большое значение имеют сроки прохождения и характер половодья, распределение водности в меженне-осенний период, сроки и интенсивность снижения подпора, а также производственные факторы - изменение отметок проектных уровней и гарантированных габаритов пути, наличие технических средств и т.п.
Объемы отложения наносов на Вишере оказались практически не связанными с величиной сработки водохранилища, но прямая их связь с объемом половодья прослеживается отчетливо. Отклонения в большую сторону в крайне маловодные годы объясняется резким спадом уровней воды, в меньшую сторону, а средние по водности годы, объясняются плавным спадом уровней воды, продолжительным размывом гребней перекатов, а также неоправданной сработкой водохранилища (1971 и 1974 г.г.).
Объемы дноуглубления на Каме мало связаны с объемами стока и половодья, но отмечается их связь с величиной снижения подпора. Отклонения в большую сторону объясняются в основном понижением отметок проектного дна при разработке перекатов в интересах судоходства.
Анализ динамики отложения наносов на Вишере за близкие по своим гидрологическим характеристикам 1967, 1975 и 1988 годы (рис. 2) показывает явное смещение вниз по течению трех зон концентрации наносов, каждая из которых охватывает от 2-х до 4-х перекатов и имеет длину от 5 до 15 км. Две аналогичных зоны были обнаружены и на участке Камы, расположенные ниже устья реки Вишеры.
По нашему мнению, это хорошо иллюстрирует известное явление - «сползание» процесса заиления вниз по течению. Процесс заиления выглядит в форме серии «волн-макрогряд», движущихся вниз по течению при сработке водохранилища за счет размыва своих верхних частей и переотложения наносов в нижней части.
V, тыс. кбм
Рис. 2. Динамика отложения наносов на р. Вишера
Скорость движения этих русловых макроформ составляет 300-350 м в год на Вишере и 300-900 м в год на Каме при средней скорости движения побочней в год соответственно 20-25 м и 20-50 м.
Формы проявления русловых деформаций в зоне выклинивания подпора также отличаются рядом особенностей, обусловленных изменившимися при наполнении водохранилища гидравлическим режимом потока и режимом наносов. В новых, благоприятных для отложения наносов условиях, русловой режим преобладает однонаправленный характер регрессивной аккумуляции. Происходит саморегулируемая
перестройка русла в соответствии с изменившимся базисом эрозии и приспособление его к новым условиям. В следствии этого происходит следующее:
— Повышение отметок побочней и осередков, увеличение их размеров в плане;
— Укрупнение русловых форм путем отмирания небольших и объединения смежных побочней с образованием взамен малых одиночных перекатов более крупных и сложных. Примерами таких изменений являются перекаты Беляевский, В. Редикорский и Н. Городищенский на р. Вишера, Сазоновский и Тюлькинский Яр на р. Каме;
— На участке устье р. Вишера - Тюлькино после создания водохранилища усилился процесс врезания русла. Относительно быстрое наращивание стрелки слияния рек (50-60 м в год) и уменьшение угла их сопряжения привело к размыву левобережного устьевого побочня Вишеры. Это, в свою очередь, в сочетании с закономерным повышением отметок острова Соломинский, расположенного непосредственно ниже устья Вишеры, вызвало смещение динамической оси потока на Каме к левому берегу и развитию несудоходной левобережной протоки между Тюлькинскими островами;
— На среднем участке зоны выклинивания подпора, ниже Боровка, на фоне общего одноправленного процесса занесения русла, обмеление несудоходных воложек за островами Кобылий и Тетеринский не наблюдается.
Следует отдельно рассмотреть участок реки Камы в районе порта Соликамск. Несколько выше этого порта имеется левобережный остров Тетеринский, за которым располагаются устья двух речек: Глотиха и Усолка. В районе устья этих речек происходят интенсивные русловые процессы, что наглядно показывает рис. 3. Анализ показал, что аккумулирующая емкость основного русла в районе переката Тетеринский почти исчерпана. Поэтому здесь происходит интенсивный рост левобережных побочней, особенно в районе входа к причалам нефтебазы и промпорта. Скорость роста этого побочня составляет 80 м в год, который уже перекрыл подходы к этим причалам, а в ближайшие 5-7 лет может серьезно осложнить работу водозабора АО «Сильвинит».
Рис. 3 - Совмещенные планы Тетеринского переката р. Кама за 1980 и 1997 г.г.
Кроме того, нельзя исключать и реальную возможность размыва правобережной протоки за островом Тетеринский, усилившуюся вследствие прекращения дноуглубительных работ. Обмеление левобережного рукава может значительно ускорить этот процесс, что приведет к трудно прогнозируемым последствиям, как для судоходства, так и для эксплуатации объектов водопользования, расположенных вблизи переката.
В данном конкретном случае рекомендуется своевременное отторжение левобережного побочня с переносом к левому берегу судового хода и динамический оси потока с закреплением их в этом положении, в т.ч. с частичным перекрытием правого рукава. Кроме того, необходимо выполнить расчеты предельно возможного объема заиления русла на данном участке.
Приведенный пример наглядно показывает необходимость детального изучения зон выклинивания подпора водохранилищ и происходящих в них сложных русловых процессов для более полного и правильного их учета при проектировании и эксплуатации судовых ходов, акваторий, причалов, подводных и надводных переходов, водозаборов, водовыпусков, мостов и других гидротехнических сооружений.
В течение последних 5 лет, в связи с резким сокращением бюджетного финансирования на содержание водных путей, в зоне выклинивания подпора Камского водохранилища полностью прекращены русловыправительные и дноуглубительные работы. Одновременно, по причине сложного положения в энергетике, отмечается ежегодная ранняя сработка водохранилища. Сочетание этих двух факторов приводит к усилению неуправляемых деформаций русла. В соответствии с этим значительно возрастает роль постоянного мониторинга русловых процессов и надежного прогнозирования их развития для принятия своевременных мер по нейтрализации возможных негативных последствий.
FEATURES OF THE RIVER-BED MODE OF AREA OF VARIABLE OF THE KAMA RESERVOIR BACKWATER
A.A. Sazonov, V.K. Kalyuzhny
The article considers the characteristics streamflow area modes backwater pinching out of the Kama reservoir, provides conclusions about the nature of fluvial processes on different parts of the zone of variable backwater, the intensity of deposition of sediments and their influence on changes in navigation conditions in the area.
