CC BY
34УДК 556.552:627.1
СОВРЕМЕННАЯ МОРФОМЕТРИЯ БОТКИНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА
© 2011 г. В.В. Михалев1, И.К. Мацкевич 2, А.В. Белобородое1
1 ООО «Научно-производственное объединение «Омега», г. Пермь
2 Пермский государственный университет, г. Пермь
Ключевые слова: Боткинское водохранилище, гидрографические исследования, морфометрия, морфология, гидролого-морфологическое районирование, морфолитоге-нез, ГИС-проект.
Приведены результаты гидрографических исследований акватории Боткинского водохранилища с целью уточнения его морфометрических параметров; проанализирована динамика изменения морфометрических показателей гидрографических районов и участков по сравнению с данными 1973 г.; построена цифровая модель рельефа дна и берегов Боткинского водохранилища; выполнена оценка изменения инженерно-геологических условий прибрежной территории при наполнении водохранилища до форсированных отметок уровня; разработан ГИС-проект «Морфометрия Боткинского водохранилища».
Введение
Целью данной работы явилось создание информационной базы для повышения эффективности мероприятий по улучшению технического состояния Боткинского водохранилища и управления использованием его водных ресурсов.
Исследования выполнялись в рамках государственного контракта с ФГУ «Камводэксплуатация» Федерального агентства водных ресурсов сотрудниками ООО «НПО «Омега» в 2008—2009 гг. по теме: «Уточнение морфометрических характеристик Боткинского водохранилища» [1]. Б качестве соисполнителей в работе принимали участие специалисты ФГУП «КамНИИБХ» и кафедры гидрологии и охраны водных ресурсов Пермского государственного университета.
Состояние вопроса
Морфометрические характеристики Боткинского водохранилища представлены в работах [2—6], самые ранние данные приводятся в рабо-
Водное хозяйство России № 1, 2011
Водное хозяйство России
те 1962 г. [2]. Наиболее подробная морфометрическая характеристика Боткинского водохранилища выполнена И.К. Мацкевичем [3]. Для решения задач комплексных исследований водоема им рассчитаны основные мор-фометрические показатели районов, участков и зон водохранилища.
На сегодняшний день последним официальным картографическим источником по исследуемому водоему является «Атлас единой глубоководной системы Европейской части Российской Федерации» [5], при разработке которого использованы материалы гидрографических работ, выполненных в 1992—1996 гг. русловыми партиями ФГУП «Камвод-путь».
Б работе ЗАО «ГИДРОТЕХ» [6] в таблице «Основные водноэнерге-тические характеристики гидроузлов Камского каскада» содержится информация о площади водного зеркала и объемах водной массы при нормальном подпорном уровне (НПУ = 89,0 м) и уровне сработки (УС = 85,0 м). Б этой части информация полностью повторяет ранние данные по морфометрии Боткинского водохранилища [2].
Представленная в данной статье работа по уточнению морфометри-ческих характеристик Боткинского водохранилища [1] является первым после многолетнего перерыва гидролого-морфологическим исследованием водоема, позволяющим проследить динамику изменения основных морфометрических параметров. Полученные результаты представляют большое значение как для практических расчетов при изысканиях и проектировании, так и для теоретических исследований.
Исходные данные и методика исследований
База данных по глубинам русловой части Боткинского водохранилища создана на основе батиметрических съемок ФГУП «Камводпуть» с шагом точек глубин 100x100 м. Гидрографические исследования мелководных участков водохранилища и всех крупных заливов выполнены сотрудниками ФГУП «КамНИИБХ» c использованием навигационного эхолота Lowrance LMS 480M с антенной LGC-3000 (GPS/WAAS).
Общий объем собранной информации по глубинам дна составил 93 000 точек. Результаты обработки данных батиметрических съемок в географических координатах системы WGS 1984 были использованы при построении цифровой модели рельефа (ЦМР) дна. Технологически алгоритм построения ЦМР реализован на лицензионном программном продукте ArcGIS 9.3 с использованием инструмента «Topo to Rastr», который позволяет создавать Grid-модель рельефа дна водохранилища интерполяцией исходных данных по отметкам глубин.
Водное хозяйство России № 1, 2011
Водное хозяйство России
Гидролого-морфологическое районирование
Боткинское водохранилище образовано в долине р. Камы и ее притоков. Оно представляет собой сравнительно узкий со значительной извилистостью береговой линии искусственный водоем долинного типа с сезонным, а также недельным и суточным регулированием стока.
При уточнении морфометрических параметров Боткинского водохранилища использована гидролого-морфологическая схема районирования, разработанная И.К. Мацкевичем [3]. Согласно этой схеме Боткинское водохранилище — одноплесовый водоем с 3 гидрографическими районами и 6 участками (рис.).
Условия и факторы формирования морфометрических показателей
Анализ многолетних исследований И.К. Мацкевича [3], Ю.М. Ма-тарзина [7], И.А. Печеркина [8] и Б.Б. Михалева [9] показывает, что в котловине Боткинского водохранилища выделяются несколько областей с определенными типами динамической обстановки рельефообра-зования и осадконакопления. Эти области определяют направленность и величину изменения основных морфометрических параметров как в границах районов и участков, так и всего водоема в целом.
1. Область преобладающего флювиального морфолитогенеза почти полностью совпадает с границами I гидрографического района (рис.). Нижняя граница этой зоны расположена в 2 км ниже с. Таборы, но наиболее часто она располагается в створе пос. Новоильинский. Граница подвижна и ее положение зависит как от величины наполнения Боткинского водохранилища (отметка уровня верхнего бьефа у плотины), так и от расходов сбрасываемых вод через створ Камской ГЭС. Наиболее выражен флювиальный морфолитогенез в пределах влияния как недельного, так и суточного регулирования. Б годы различной водности протяженность этой области от створа Камской ГЭС вниз по течению может изменяться от 60 до 120 км.
2. Б пределах переходной области особенности морфолитогенеза обусловлены совместным действием волновых и проточных течений. При этом доминирование того или другого процесса имеет четко выраженный сезонный характер, а также зависит от водности года и стадии наполнения водоема. По схеме районирования эта область полностью вмещает II гидрографический район (рис.). Ее протяженность изменяется от 95,8 до 104,0 км по средней равноудаленной линии.
3. Для области волнового морфолитогенеза характерна преобладающая роль волновых процессов в рельефообразовании и осадконакоплении. Эта область полностью занимает III гидрографический район (рис.).
Водное хозяйство России № 1, 2011
Водное хозяйство России
•у*
КРАСНОКАМС
ЧАЙКОВСКИЙ
7,5 0 7,5 15 22,5 30 [—1 1-1 1-1 I км
Условные обозначения:
Морфологические таксоны | I Район I
I I Участок 1 I I Участок 2
] Район II Участок 3 [_| Участок 4
Район III Участок 5 Участок 6
Рис. Схема гидролого-морфологического районирования Боткинского водохранилища.
йодное хо;
Водное хозяйство России
Северная граница области начинается в 15 км ниже по течению от г. Оса, а южная совпадает со створом Боткинского гидроузла. При наполнении водоема устьевые участки русел и частично долин впадающих рек оказались заполнены камскими водами.
Б связи с распространением подпора от водной массы водохранилища в нижнем течении притоков сформировались заливы различных размеров. Наиболее значительными из них являются Мулянский, Сюзьвин-ский, Нытвенский, Очерский, Тулвинский, Ерзовский, Ножовский, Сай-гатский.
Динамика морфометрических параметров районов и участков в сравнении с данными 1973 года
Полученные в результате исследований новые морфометрические параметры районов и участков Боткинского водохранилища показаны в табл. 1, 2 и 3 в сравнении с данными [3].
По результатам уточнения морфометрических параметров Боткинского водохранилища [1] его длина по средней линии составляет 340,2 км (табл. 1 и 2). Объем водной массы при отметке НПУ составляет 8,65 км3 (табл. 1 и 3), площадь зеркала (без островов) при НПУ равна 1066,7 км2, площадь островов — 13,3 км2. Максимальная глубина в водоеме 22,8 м, средняя — 7,1 м. Длина береговой линии при НПУ составляет 747,1 км по левому и 745,6 км по правому берегам. Зимой с уменьшением расхода через створ Камского гидроузла (февраль-март, реже апрель), а также с переходом притоков водоема на грунтовое питание начинается сработка собственной водной массы водохранилища Боткинской ГЭС. Понижение уровня в водоеме приводит к уменьшению площади, объема и осушке определенной части водохранилища. При понижении уровня до отметки зимней сработки (УС) площадь водоема уменьшается до 778,1 км2, а объем до 5,034 км3.
Анализ данных, полученных в ходе работ по уточнению морфометрических параметров [1], целесообразно выполнять с учетом доминирующего влияния факторов морфолитогенеза выделенных областей.
На Боткинском водохранилище область флювиального морфолитогенеза занимает I гидрографический район (рис.), который одновременно является участком выклинивания подпора Боткинского водохранилища и нижним бьефом Камского гидроузла.
Б границах этой области произошли размыв дна и переуглубление ложа водохранилища. Наибольшая глубина водоема возросла с 13,0 до 18,6 м, средняя — с 5,2 до 5,9 м. Объем водной массы на первом участке
Водное хозяйство России № 1, 2011
Водное хозяйство России
Таблица 1. Основные параметры Боткинского водохранилища
Наименование, единица измерения Характеристика
Начало наполнения, год 1961
Проектное наполнение, год 1964
Нормальный подпорный уровень (НПУ), м 89,0
Форсированный подпорный уровень (ФПУ), м 90,0
Уровень сработки (УС), м 85,0
Напор у плотины, м 22,0
Длина водохранилища по средней линии (Ь), км 328,0 340,2
Ширина водохранилища (В), км:
наибольшая (В^) 8,2 8,6
средняя (Вср) 3,4 2,7
Площадь водной поверхности без островов км2:
при НПУ (^„у) 1119,4 1066,7
при УС (^ус) 773,5 778,1
Площадь островов, км2 — 13,3
Объем водной массы (V), км3:
при НПУ 9,360 8,648
при УС V,) 5,660 5,034
Объем зоны сработки (полезный объем), км3 3,7 3,6
Объем крупных заливов при НПУ, км3 — 0,27
Глубина при НПУ (Н), м:
наибольшая (Н^) 30,0 22,8
средняя (Нф) 8,4 7,1
Длина береговой линии при НПУ (/), км: 970 1492,7
Примечание: обычным шрифтом приведены данные по И.К. Мацкевичу [3], полужирным — уточненные морфометрические параметры [1].
(Камская ГЭС — г. Краснокамск) увеличился с 300,00 до 317,24 млн м3, а на втором (г. Краснокамск — с. Таборы) уменьшился с 420,00 до 373,31 млн м3 (табл. 3). Уменьшение объема обусловлено смещением и транспортировкой размытого материала с самого верхнего участка водохранилища.
Переходная область ниже с. Таборы до затопленного устья р. Жула-новки формируется в условиях совместного влияния волновых процессов и стоковых (проточных) течений. При этом преобладающее влияние волнения отмечается в южной части этой области. Заметное воздействие течений, но более слабое по сравнению с первым гидрографическим районом, отмечается на верхнем участке переходной области Таборы —
Водное хозяйство России № 1, 2011
Водное хозяйство России
Таблица 2. Морфометрические показатели поверхности Боткинского водохранилища
?
м =
О
№ *
О
w SO а« п н и о
ч
0
п
1
Районы Участки
Длина (Ь) Ширина (В) Длина береговой линии (1) при НПУ Площади районов (Рр) и участков без островов
и по средней линии средняя наибольшая левый берег правый берег при НПУ при УС
км в % от L при НПУ при НПУ при УС при НПУ при УС км км км2 % от F0 при НПУ км2 % от Fp и F„ при НПУ
52,8 16,1 1,1 0,68 1,6 ОД 64,7 ПА 60 5,4 36 60,0
63,28 18,6 0,88 0,7 1,29 1,0 111,28 104,86 58,50 5,5 41,1 70,3
60,8 18,5 1,3 0,75 2,2 0,7 65,9 65,6 77,7 6,9 45,9 59,1
59,11 17,4 0,93 0,7 1,99 1,2 121,71 188,43 62,98 5,9 39,8 63,2
113,6 34,6 1,2 0,72 2,2 0,7 130,6 139,6 137,7 12,3 81,9 59,4
122,39 36,0 0,9 0,7 1,99 1,2 232,99 293,3 121,48 11,4 80,9 66,6
67,2 20,5 2,2 0,97 3,7 2,2 88,5 110,7 146,5 13,1 65,5 44,7
60,9 17,9 1,98 0,98 3,7 2,9 119,19 118,51 133,45 12,5 63,1 47,3
36,8 11,2 3,6 2,24 4,3 3,4 51,9 48,5 133,8 11,9 82,5 61,6
34,9 10,2 2,58 1,9 4,75 3,7 149,05 43,56 122,69 11,5 78,2 63,7
104 31,7 2,7 1,42 4,3 3,4 140,4 159,2 280,3 25,0 148 52,8
95,8 28,1 2,3 1,4 4,75 3,7 268,24 162,07 256,14 24,0 141,3 55,2
51,4 15,7 6,1 4,35 6,5 4,7 83,3 106,5 316,3 28,3 223,9 70,7
61,79 18,2 4,88 3,8 7,26 6,3 115,71 142,12 314,76 29,5 237,4 75,4
59 18 6,5 5,41 8,2 7,5 95,7 114,7 385,1 34,4 319,7 83,0
60,28 17,7 5,22 4,7 8,62 7,7 130,16 148,11 374,33 35,1 318,5 85,1
110,4 33,7 6,3 4,92 8,2 7,5 149 221,2 701,4 62,7 543,6 77,5
122,07 35,9 5,05 4,2 8,62 7,7 245,87 290,23 689,1 64,6 555,8 80,7
328 100 3,4 2,35 8,2 7,5 450 520 1119,4 100 773,5 69,0
340,2 100 2,7 2,1 8,62 7,7 747,1 745,59 1066,71 100 778,1 72,9
I 1
2
По I району
II 3 4
По II району
III 5
6
По Ш району По водоему
Примечание: в числителе приведены данные по И.К. Мацкевичу [3], знаменателе — уточненные морфометрические параметры [1].
Таблица 3. Морфометрические показатели глубин и объемов Боткинского водохранилища
Глубина (Н) Объем (V) Объем зоны сработки
Районы Участки наибольшая средняя при НПУ (89,0 м) при УС (85,0 м) (полезный объем)
при НПУ при УС при НПУ при УС млн м3 в % от объема водоема млн м3 в % от объема водоема млн м3 в % от объема зодоема
I 1 10 6 5 4,2 300 3,21 150 2,65 150 4,05
12,9 8,9 5,7 6,7 317,24 3,67 124,6 2,47 192,64 5,33
2 10 9 5,4 4,6 420 4,49 210 3,71 210 5,68
18,6 14,6 6,09 7,8 373,31 04,302 182,28 3,62 191,03 5,29
По I району 10 9 5,2 4,4 720 07,609 360 6,36 360 9,73
18,6 14,6 5,95 7,25 690,55 07,909 306,88 6,10 383,67 10,62
II 3 19 19 7,1 6,8 1000 11,11 450 7,95 590 15,95
19,25 15,25 5,53 7,4 727,31 8,41 348,98 6,93 378,33 10,47
4 29 10 8,4 5,8 1100 11,97 480 8,48 640 17,30
20,2 16,2 5,74 6,6 688,89 7,97 293,13 5,82 395,76 10,95
По II району 0210 10 7,75 6,3 2100 23,08 930 16,43 1200 33,24
20,2 16,2 5,6 7,0 1416,2 16,38 642,11 12,75 774,09 21,42
III 5 0260 20 8,3 6,5 2600 28,21 1400 25,62 1100 32,16
22,3 18,3 8,28 7,3 2542,8 29,40 1451,9 28,84 1090,9 30,19
6 0300 20 9,9 9,1 3800 41,03 2900 51,59 920 24,86
22,8 18,8 10,94 6,3 3998,1 46,23 2633,51 52,31 1364,6 37,77
По III району 0300 20 9,1 7,8 6400 69,23 4300 77,21 2100 57,03
22,8 18,8 9,61 6,79 6540,9 75,64 4085,4 81,15 2455,5 67,96
По водоему 0300 20 8,4 7,3 9360 100 5660,0 60,5 3700 39,5
22,8 18,8 7,06 7 8647,66 100 5034,38 58,2 3613,3 41,8
Примечание: в числителе приведены данные по И.К. Мацкевичу [3], знаменателе — уточненные морфометрические параметры [1].
Оханск и вплоть до с. Горы. Б рельефе береговой зоны переходной области появляется галечная отмостка вблизи уреза воды и отмечается частичное снижение крутизны береговых склонов.
Уточненные морфометрические параметры вполне соответствуют тем особенностям морфолитогенеза, которые определили их динамику за время существования водоема. Почти все характеристики поверхности, глубин и объемов уменьшаются (табл. 2, 3). Это обусловлено интенсивной аккумуляцией материала, поступающего, прежде всего, за счет переработки берегов, а также с водосборных площадей.
Водное хозяйство России
Область волнового морфолитогенеза расположена в приплотинной части Боткинского водохранилища в пределах 5 и 6 морфологических участков (рис.). Б соответствии с развитием гидродинамических процессов в этой области основные морфометрические показатели претерпели существенные изменения. Максимальная глубина уменьшилась на 7,2 м. Длина по средней линии возросла с 110,4 до 122,1 км. Средняя ширина уменьшилась с 6,3 до 5,1 км, а наибольшая возросла с 8,2 до 8,6 км. Площадь водного зеркала при НПУ уменьшилась с 701,4 до 689,1 км2. Объем водной массы этой области увеличился с 6480,00 до 6540,91 млн м3. Это на первый взгляд противоречит логике развития процессов морфолитогенеза в этой области. Однако следует учесть, что в 1973 г. [3] при подсчете объема водной массы этой части Боткинского водохранилища не были учтены объемы крупных заливов.
Гидрографические исследования в рамках работы [1] позволили рассчитать долю частных емкостей заливов в общем объеме водохранилища. Суммарный объем Ерзовского, Ножовского и Сайгатского заливов составил 0,15 км3, что и привело к увеличению объема водной массы III гидрографического района, несмотря на интенсивное осадконакопле-ние.
Заключение
За период с 1973 по 2009 гг. основные морфометрические характеристики Боткинского водохранилища: объем водной массы и площадь зеркала при НПУ уменьшились (табл. 1, 2 и 3). Наиболее заметное уменьшение на 712 млн м3 претерпел объем водной массы.
Анализ уточненных значений морфометрических характеристик [1] в сопоставлении с материалами 1973 г. [3] убедительно показывает, что в целом изменение параметров хорошо укладывается в схему формирования чаши такого сложного искусственного водоема, каким является Боткинское водохранилище.
Сравнение разновременных данных (табл. 2 и 3) позволяет устанавливать тенденции морфоструктурных изменений и оценивать особенности многолетней динамики процессов как в целом для водохранилища, так и для отдельных его частей.
Проведенные исследования Боткинского водохранилища показали, что характер и интенсивность всех внутриводоемных процессов, своеобразие взаимодействия водоема с окружающей средой осуществляется с учетом особенностей его морфометрии. Поэтому использование в гидрологических и водохозяйственных расчетах «устаревших» значений морфометрических показателей, которые получены на начальном эта-
Водное хозяйство России № 1, 2011
Водное хозяйство России
пе формирования ложа водоема, заведомо ведет к погрешностям и неверным результатам.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Уточнение морфометрических характеристик Боткинского водохранилища. Т. 1 //
Отчет по НИР / ООО «НПО «Омега», рук. Б.Б. Михалев. Пермь, 2009.
2. План эксплуатации водного хозяйства водохранилищ Камской и Боткинской ГЭС. Л.:
Ленгидропроект, 1962. 245 с.
3. Мацкевич И.К. Особенности гидрологического режима Боткинского водохранилища
в связи с его положением в каскаде: автореф. дис. ... канд. геогр. наук. Пермь, 1973. 28 с.
4. Пономарев В.И. Режим больших водохранилищ // Ресурсы поверхностных вод СССР.
Л.: Гидрометеоиздат, 1973. Т. 11. Средний Урал и Предуралье. 848 с.
5. Атлас единой глубоководной системы Европейской части Российской Федерации.
Т. 9. Река Кама от поселка Керчевский до города Чайковский. Ч. I. — СПб.: ОАО «Иван Федоров», 2000. 54 с.
6. Правила использования водных ресурсов Камского и Боткинского водохранилищ на
р. Кама (II редакция). СПб.: ЗАО «ГИДРОТЕХ», 2004. 82 с.
7. Матарзин Ю.М. Бведение // Бодохранилище Боткинской ГЭС на р. Кама. Пермь:
Изд-во Пермского университета, 1968. С. 7—12.
8. Печеркин И.А. Геодинамика побережий Камских водохранилищ. Пермь: Изд-во
Пермского университета, 1969. Ч. II. 308 с.
9. Михалев В.В. Геологические условия развития геодинамических процессов на берегах
Камских водохранилищ: дис. ... канд. геол.-мин. наук. Пермь, 1989. 191 с.
Сведения об авторах:
Михалев Вячеслав Владимирович, к. г.-м. н., заместитель директора, Научно-производственное объединение «Омега», 614094, г. Пермь, ул. Овчинникова, 10, оф. 311; e-mail: mihalev_v@npo-omega.ru
|Мацкевич Игорь Константинович] , к. г. н., доцент, кафедра гидрологии и охраны водных ресурсов, географический факультет, Пермский государственный университет, 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15; e-mail: gidrology@psu.ru
Белобородов Александр Валерьевич, ведущий инженер, Научно-производственное объединение «Омега», 614094, г. Пермь, ул. Овчинникова, 10, оф. 311, e-mail: beloborodov@npo-omega.ru
Водное хозяйство России
