CC BY
93
УДК 556.552
Турбулентный обмен вод в Воткинском водохранилище (многолетний аспект)
А.Б.Китаев
Пермский государственный университет
Целью настоящего исследования является оценка турбулентного обмена вод (турбулентного перемешивания) в различных по морфометрии частях Боткинского водохранилища. В отличие от ранее выполненных исследований [3,10,11], где был рассмотрен обмен вод только в многоводном и маловодном году, в настоящей работе представлены пространственно-временные изменения турбулентного обмена в многолетнем аспекте. Результаты такой оценки могут послужить основой для характеристики существующего и возможного в перспективе разбавления промышленных, хозяйственно-бытовых и сельскохозяйственных сточных вод в различных частях водоема.
Использование коэффициентов турбулентного обмена
Турбулентное перемешивание - это перемешивание масс жидкости, происходящее в процессе турбулентного движения, при котором частицы жидкости движутся по разнообразным извилистым траекториям. Важным следствием беспорядочных турбулентных движений является вертикальный и горизонтальный обмен жидкости, который приводит к переносу движения, тепла и т. д. [14].
Характерной особенностью турбулентных движений является наличие пульсаций гидродинамических величин потока, которые по своей природе беспорядочны. Вследствие хаотичности и неупорядоченности турбулентных движений при изучении турбулентности используют метод осреднения, позволяющий получить средние значения гидродинамических величин, которые будут представлять собой более плавно меняющиеся характеристики потока. Осреднение может быть осуществлено либо по времени, либо по пространству. Основоположником теории турбулентности является Рейнольде. Он использовал простейшее осреднение по временному интервалу.
Критерием турбулентности является число Рейнольдса, определяющее отношение сил инерции к силам вязкости:
Яе = (2УИ)/V ф
где V - скорость, Н - глубина и V - коэффициент кинематической вязкости.
Силы инерции приводят к сближению удаленных друг от друга объемов жидкости и способствуют образованию резких неоднородностей течения. Силы вязкости, наоборот, приводят к сглаживанию мелких неоднородностей в результате выравнивания скоростей в близких точках [7]. Существуют критические значения числа Яе - это нижняя и верхняя границы. Для открытого потока нижняя граница составляет 300, для верхней - 1200. Турбулентный режим соответствует следующему неравенству: Яе>Яев, Яе<Яен - режим ламинарный; при Кен<Ке<Яев режим может быть турбулентным и ламинарным, где Яе -число Рейнольдса, Яев и Ясн - верхнее и нижнее критическое значение числа Рейиольдса, т.е. число Рейнольдса определяет, какое движение потока присутствует - ламинарное или турбулентное. При больших числах Рейнольдса главную роль играют силы инерции. Передача энергии от крупномасштабных вихрей к мелкомасштабным приводит к резкой неоднородности течения и возникновению беспорядочных пульсаций.
В водоемах обычно наблюдаются незначительные уклоны и малые скорости течения, свойственные ламинарным потокам, но они характеризуются большими глубинами, и при формальном подходе к определению степени турбулентности по числу Рейнольдса это слу-
© А.Б.Китаев, 2007
жит основанием считать режим потоков в водоемах турбулентным.
Известно, что перемешивание вод происходит как при ламинарном, так и при турбулентном движении жидкости. Однако турбулентное перемешивание протекает значительно быстрее, чем перемешивание, обусловленное молекулярной диффузией. Так, турбулентная диффузия и теплопроводность могут по своей интенсивности превосходить в тысячи и сотни тысяч раз молекулярную диффузию и теплопроводность [8].
Указанные гидравлические особенности потоков в водоемах прежде всего вызывают необходимость установления закономерностей, связывающих гидравлические сопротивления с показателем турбулентности, роль которого выполняет число Рейнольдса. Это дает возможность определить гидравлический режим потоков в водоемах, тогда как формальное применение методов речной гидравлики в этом случае, очевидно, не всегда правомерно.
Интенсивность турбулентного перемешивания вод характеризуется соответствующими коэффициентами обмена. Поскольку турбулентный обмен неодинаков в вертикальном, продольном и поперечном к потоку направлениях, то коэффициенты обмена должны оцениваться отдельно для каждого из направлений. По их величине можно судить об интенсивности водообмена в определенном направлении, а с помощью эллипсоида обмена получить представление о величине горизонтального турбулентного обмена в любом направлении. Ввиду сложности определения интенсивности перемешивания прямым методом для вычисления коэффициентов обмена обычно используются косвенные методы расчета. Одна из таких схем для вычисления коэффициента горизонтального турбулентного обмена с использованием тензорной теории обмена изложена в работе В.Г. Тимофеева и В.В. Панова [13] и использована на Рыбинском водохранилище Н.В. Буториным, А.С. Литвиновым [1]. Исходными материалами для их расчетов послужили данные о скорости и направлении течения на многосуточных станциях. На камских водохранилищах подобных съемок не проводилось, следовательно, этот метод, к сожалению, применить нельзя.
Коэффициенты вертикального турбулентного обмена для водохранилищ могут быть вычислены по методу С.В. Доброклонского [4]. Считая, что характер турбулентных процессов в поверхностном слое моря определяется ветровым волнением, коэффициент вертикального обмена А он вычислял по формуле
AT= P *(h 2/т), (2)
где Р - безразмерный коэффициент (2,8*10'2); h - высота волны; т - период волны. Этот метод применялся на Рыбинском водохранилище [1] и дал вполне удовлетворительные результаты.
По методу В.А. Знаменского [5,6] коэффициент обмена по глубине Az рассчитывается по формуле
Az = xVHX15 = xv Re Я15, (3)
а коэффициент в поперечном направлении к потоку Ау для водоема со средней шириной В и глубиной Н по формуле
Ay = kAz *(B/H)*(ф(г)/рО0), (4)
где 9(z) и ф(у) - функции распределения скоростей течения по глубине 9(z)=3V/3z и ширине ф(у)=ЗУ/Зу водоема; к - коэффициент, который зависит от структуры потока; Re - число Рейнольдса.
М.Н. Тарасов и И.М. Павелко [12] установили, что отношение функций определяется зависимостью
ф)/р(у) = (Л, /Лу)*(В/Я)2, (5)
Проведя преобразования и подстановки, получим
А = кхЛг *(В/Н)15 = ЛжуКе*(Я(Б/И))15 (6)
где к1=к1'5 и ж =0.3 - постоянная Кармана. Коэффициент к1, определяющий структуру потока в зависимости от развития водоворотных зон, равен 1 (турбулентная структура потоков в водоемах представлена в табл.1). Поэтому формула (2.15) может быть записана в виде
Л = 0.3у Яе(Л(Б / Н ))1'5, (7)
Таким образом, турбулентный обмен по вертикали зависит от кинематической вязкости, числа Рейнольдса и коэффициента гидравлического сопротивления, а величина обмена в поперечном направлении - от отношения ширины и глубины водоема.
Величина коэффициента гидравлического сопротивления X определяется по формуле
Л = (2*( Н / А)075)/Яе, (8)
При отсутствии сведений о средней крупности донных грунтов А и при наличии данных об уклоне водной поверхности I коэффициент гидравлического сопротивления можно определить по более общей формуле
Х = (2 gHI)/ V2 = (21 )Яг,
(9
)
Таблица 1
Турбулентные структуры потоков в водоемах
(по В.А. н а м е н п к о м у 7]
Абсолютные размеры вихрей, м Условный масштаб вихревых образований Ориентировка оси вихря Область распространения вихрей Причины образования вихрей
0,01-1,0 1-102 Г оризонтальная Придонный слой Турбулентность при взаимодействии потока с дном
1-100 102-104 Г оризонтальная Поверхностный слой - зона ветроволнового воздействия Орбитальное движение частиц при волнении (контактная зона воздушного и водного потоков)
100-1000 104-106 Вертикальная Зона между транзитным потоком и плановым водоворотом Контакт потока с крупным плановым водоворотом
1000-10000 106-107 Вертикальная Часть водоема Контакт потока с отдельными изломами и выступами донного
рельефа, сопровождающийся образованием водоворота
10000- 1000000 0 7 1 0 ОО Вертикальная Весь водоем Протекание потока в водоеме, образование наиболее крупных водоворотов, определяемых взаимодействием потока с береговой линией и дном всего водоема
где Бг - число Фруда. При подстановке формулы (8) в формулы (2, 7) соответственно получаем
Лг = 0 . 845у Яе*((Н / А)1' 13/Яе15) = 0 . 845у *((Н / А)1' 13/Яе0 5, (10)
А = 0.845у *(В/Н)15 *((Н/ А)13 /Яе05), (11)
Из этих формул видно, что коэффициенты обмена прямо пропорциональны относительной гладкости дна. Подстановка формулы (9) в формулы (2 и 7) приводит к следующим выражениям:
Лг = 2.82у *(Яе/Ет)*(115 /Ет05) (12)
А = 2.82у *((В/Н)*(Яе/Ет))*(115 /Ет05), (13)
Из этих выражений видна связь Л2 и Ау с параметрами турбулентности Яе и Бг. Если Бг<1, то поток спокойный. Если Бг>1, то поток бурный. При этом спокойный поток может быть как ламинарным, так и турбулентным.
Коэффициент турбулентного обмена вдоль продольной оси потока Ах В.А.Знаменский [7] предложил определять по формуле
Лх = кН *(2gHI)05, (14)
которая после приведения ее к параметрам, принятым в формулах (10 - 13), может быть представлена выражениями
А = кху *(Н / А)0375 *Яе05, (15)
А = кр *(Яе/ Ет )05*(1 Яе)05, (16)
где к! =1,415 и к=14,3.
В результате рассмотрения основных методов, используемых в настоящее время для изучения процессов внутреннего водообмена на водохранилищах, можно сделать некоторые выводы:
- На камских водохранилищах применялся метод построения плана проточных течений, а также методы С.В. Доброклонского и В.А. Знаменского в характерные по водности годы. На наш взгляд, этого недостаточно для всесторонней оценки процессов внутреннего водообмена исследуемого водоема.
- Все рассмотренные методы, несмотря на некоторые ограничения и допущения, в
принципе можно использовать для изучения внутреннего водообмена Боткинского водохранилища.
Ввиду недостаточности материала наблюдений в работе дана оценка турбулентного обмена вод по методу В.А.Знаменского [7].
Оценка коэффициентов турбулентного обмена по методу В.А. Знаменского
Коэффициенты турбулентного обмена определялись по уравнениям, учитывающим морфометрические, гидравлические и энергетические характеристики водоемов. За исходные параметры принимались: уклон водной поверхности, ширина и глубина в створе, расходы воды, скорости проточного течения, а также параметры турбулентности (Яе) и кинетичности (Бг) потока.
Для расчета коэффициентов турбулентного обмена на Боткинском водохранилище в качестве расчетных створов принято пять пунктов (Пермь, Оханск, Оса, Елово, Боткинская ГЭС). В качестве периода осреднения в данной работе использовался календарный месяц, так как балансы, составленные в настоящее время для искусственных и естественных водоемов, принято относить к месяцам года. Расчет проводился за 16 лет (1964 - 1979). Среднемесячные уровни воды вычислены по наблюденным данным, опубликованным в Гидрологическом ежегоднике за рассматриваемые годы. Первоначально площадь водного сечения и ширина водоема определялись по поперечным профилям в зависимости от высоты стояния уровня воды. В дальнейшем для уменьшения трудоемкости работ были построены графики связи со = Д(Н) и В = Д(Н) для расчетных створов. Средняя глубина водоема в расчетном створе определялась как отношение площади поперечного сечения к ширине водоема.
Т.П. Девятковой [2] была предложена методика определения среднемесячных расходов воды, в основе которой лежит уравнение неразрывности. По этой методике А.Б.Китаевым [9] определены расходы воды по длине Камского и Боткинского водохранилищ за многолетний период. Средняя скорость течения в расчетных створах вычислена как отношение расхода воды через поперечное сечение к площади сечения. Числа Рейнольдса и Фруда вычислены по формулам гидравлики [8].
Некоторые затруднения вызвало определение уклонов водной поверхности. Для верхних участков водохранилища (Пермь - Оханск) уклон вычислен по разности между соответствующими значениями среднемесячных уровней воды в этих пунктах. Для других створов средний за расчетный период уклон принят равным среднегодовому уклону водной поверхности между водомерными пунктами Оханск - Боткинская ГЭС, что связано с наличием в приплотинной части водохранилища обратных уклонов, которые распространяются до г. Осы. Причиной обратных уклонов является каскадное расположение водохранилища.
Формулы, по которым вычислены коэффициенты турбулентного обмена, использовались в следующем виде:
Лг = 2.82у*(Яе/Ет)*(115 /Ет05),
А = 2.82у * ((В /Н) * (Яе/Ет)) * (115 /Ет0 5),
Л = ку *(Яе/Ет)05 *(1 Яе)05,
где А2 - коэффициент турбулентного обмена по глубине; Ау - коэффициент турбулентного обмена в поперечном направлении к потоку; Ах - коэффициент турбулентного обмена вдоль оси потока.
Изменение турбулентною обмена по длине водохранилища
По характеру пространственного распределения турбулентной активности на Боткин-
ском водохранилище можно выделить два характерных района:
1) верхний (Пермь - Оханск) характеризуется относительно малыми глубинами (2,95 - 6,62 м), большими скоростями течения (1,7 м/с и более), представляет собой наиболее узкую часть водохранилища, шириной менее 1,5 км. Кроме того, данный участок имеет значительный уклон водной поверхности, изменяющийся от 0,0038* 10"3 до 0,0101*10"3 в различные фазы водного режима, и более простую морфометрию, подвержен наибольшему влиянию попусков Камской ГЭС;
2) нижний (Оса - Боткинская ГЭС), несколько расширенный, с заливами, значения его средней ширины по сравнению с первым районом существенно увеличиваются - до 5,3 км, эта закономерность прослеживается и в отношении глубин, которые составляют в среднем 10 м, уклон здесь почти отсутствует (0,0002*10"3 - 0,0013*10"3), скорости течения малы 0,01 - 0,94 м/с, влияние попусков Камского гидроузла ослабло.
Для первого района (Пермь - Оханск) характерно преобладающее значение продольной составляющей, постепенно уменьшающейся к концу района, что связано с аналогичным характером распределения скоростей течения на данном участке водохранилища - их уменьшением. Соответственно и максимальные значения данной составляющей по всей длине водохранилища наблюдаются в начале рассматриваемого района, что связано с его большой проточностью. Однако следует отметить, что в некоторые месяцы продольный коэффициент турбулентного обмена имеет иной характер распределения, отличный от его основного хода, а именно: величина продольной составляющей увеличивается к концу района, например, в марте и апреле. Это прослеживается в течение всего периода исследования, хотя в отдельные годы такая ситуация может быть и в другие месяцы.
В отличие от продольного коэффициента турбулентного обмена, превалирующего в первом районе, вертикальный коэффициент имеет обратное распределение. Прослеживается абсолютно четкая тенденция его увеличения к концу района. Кроме того, величины рассматриваемой составляющей на данном участке периодически становятся минимальными по всей длине водохранилища, что связано с более простой морфометрией и малыми глубинами первого района по сравнению со вторым и, как следствие, ослаблением ветрового волнения, которое, как известно, оказывает значительное влияние на процессы внутреннего водообмена Боткинского водохранилища, в частности на вертикальный турбулентный обмен. Наблюдающиеся здесь максимальные значения вертикальной составляющей в конце района в периоды зимней сработки и весеннего наполнения связаны с резким изменением глубины и ширины.
Что же касается поперечного коэффициента, то его распределение по длине водохранилища и внутри первого района схоже с распределением вертикального коэффициента. Так же четко выявляется тенденция увеличения коэффициента к концу района и наблюдаются его минимальные значения вследствие простой морфометрии. Максимальные значения коэффициента также определяются в конце района в мае, т.е. в период наполнения водохранилища, что опять же связано с резким изменением глубины и ширины, в данном случае это имеет решающее значение по сравнению с влиянием этих же факторов на продольный коэффициент турбулентного обмена.
Для весеннего периода характерно усиление турбулентной активности в продольном и вертикальном направлениях. Это связано с повышением уровня воды в весенние месяцы и с большими уклонами водной поверхности в этом районе. Причем за весь период исследования максимальные значения продольной составляющей наблюдались исключительно в первом районе, что же касается вертикальной составляющей, то в 6 из 16 лет пик данного коэффициента приходился не на первый, а на второй район, в остальные годы максимумы наблюдались в первом районе. Максимальные значения рассматриваемых коэффициентов были установлены не только в весенний период. Так, в 1964,1972 и 1978 гг. наибольшие величины продольного коэффициента пришлись на июнь (32,1*103, 65,5*103, 83,5*103 г/см*с), а значения вертикального и поперечного коэффициентов в 1975 г. наблюдались в декабре (29,8, 2,83 * 103 г/см*с соответственно), причем это единственный год, в котором
установлен максимум поперечного коэффициента в первом районе.
Необходимо отметить, что весь период исследования турбулентная активность преобладает в продольном направлении, максимум значений коэффициента наблюдается в первом районе и приходится на весенние месяцы. Его наибольшие значения от года к году изменяются от 24,0*103 в маловодные до 142*103 г/см*с в многоводные годы. Это объясняется тем, что турбулентная активность в продольном направлении происходит при наличии уклона водной поверхности, который достигает в этом районе наибольших значений (до 0,0101 *10"3), а также увеличении скоростей течения (до 2,34 м/с). Вертикальный коэффициент не имеет наибольших значений, наоборот, весь период исследования незначителен и на несколько порядков меньше коэффициентов в других направлениях. Это объясняется небольшими размерами района, так как известно, что в наиболее широких и расположенных по ветру частях водоема высота волн больше, чем в суженных, расположенных перпендикулярно направлению ветра, поэтому общая вероятность высокого волнения возрастает с приближением к плотине Боткинской ГЭС. В поперечном направлении турбулентная активность выражена слабо и характеризуется в основном низкими величинами, а в 1972, 1973. 1974, 1977 и 1979 гг. приобретает минимальные значения (0,07* 1 O3. G,G4*1G3, G,1G*1G3, G,G3*1G3 и G,15*1G3 г/см*с
соответственно). Это объясняется узкими очертаниями и более простой морфометрией первого района.
В летнее-осенний период происходит стабилизация уровенного режима, характеристики потока выравниваются. Следовательно, значения коэффициентов уменьшаются.
В зимний период турбулентность водных масс возрастает в связи со сработкой водной массы водохранилища, увеличением уклона водной поверхности, переходом части потока в речные условия. Коэффициенты вертикального и поперечного турбулентного обмена несколько увеличиваются.
Второй район (Оса - Боткинская ГЭС) характеризуется большими глубинами и незначительными уклонами водной поверхности.
Величины коэффициента турбулентного обмена в продольном направлении значительно меньше его величин в первом районе. Хотя в этом направлении и наблюдается постепенное увеличение турбулентной активности (по длине района к плотине), но ни разу не отмечалось превышения данного коэффициента его же значения в первом районе. Минимальные значения продольного коэффициента весь период исследования приходились исключительно на второй район и изменялись от года к году в диапазоне от 0.19*10 до G.8G*1G3 г/см*с. Такие величины продольной составляющей во втором районе связаны с минимальными значениями скоростей течения, водообмена и проточности. Для этого района особенно характерна турбулентная активность в поперечном направлении. Возрастание поперечного коэффициента турбулентного обмена связано с возникновением циркуляционных зон при расширении водоема. Их максимальные значения варьируют от года к году от 2,83 * 103 до 24,2* 103 г/см*с. причем наивысшие значения так же, как и самые низкие, принадлежат только второму району, за исключением 1975 г., когда максимум наблюдался в первом районе, и 1972,1973,1974,1977 и 1979 гг., когда там же наблюдался минимум. Вертикальный коэффициент турбулентного обмена стабильно увеличивается к концу района, но в период наполнения водохранилища принимает меньшие значения по сравнению с первым районом.
Таким образом, изменение коэффициентов турбулентного обмена по длине Боткинского водохранилища разнообразно. Для первого района характерна турбулентная активность в продольном направлении, для второго - в поперечном и вертикальном направлениях. Это объясняется различием в морфометрии районов, в разнице уклонов водной поверхности, скорости течения и других характеристик. На интенсивность турбулентных процессов существенное влияние оказывает водность года.
Внутригодовое изменение турбулентного обмена
Одним из основных факторов, опр водохранилище, является водный баланс расходных частей. С этим связаны характ различия в интенсивности турбулентного Известно, что физической основой д силы тяжести, возникающего при различ! ента от года к году и в течение года водообмена, им обусловленного, тоже ме продольном направлении происходит в сравнительно больших уклонов водно интенсивность обмена меняется в зави морфометрии и морфологии, а в летне-ос волнения).
Вследствие различий в формирован районах водохранилища целесообразно р обмена по районам (табл.2).
Турбулентный обмен В Зоткинск
Расчетные Ау, Ах,
створы г/см* с г/см* с г/см* с
Январь
Пермь 3,25 633 14648
Оханск 10,2 2037 12716
Горы 0,95 773 1218
Елово 10,3 4436 1755
Чайковский 18,8 14436 1028
Февраль
Пермь 5,16 945 13963
Оханск 25,4 2733 19752
Горы 0,28 302 1031
Елово 6,23 3095 1535
Чайковский 14,1 11105 1042
Март
Пермь 2,84 534 11479
Оханск 23,2 2441 15756
Горы 0,14 200 564
Елово 7,41 3900 868
Чайковский 22,1 17715 543
Апрель
Пермь 1,63 320 7890
Оханск 18,1 1943 10481
Горы 0,13 194 407
Елово 8,78 4699 654
Чайковский 28,5 23018 402
Май
Пермь 92,70 825 3500
Оханск 88,72 1192 6396
Горы 88,07 3890 18676
Елово 87,84 4220 37560
Чайковский 87,73 7362 70640
:ляющих внутренний водообмен в Боткинском доема, а точнее соотношение его приходных и изменения водных масс в течение года, а также мена в годы различной водности. жения водных масс является наличие градиента 1 внешних воздействиях. Величина этого гради-изменяется, следовательно, и интенсивность яется. Поэтому наиболее интенсивно обмен в верхних частях водохранилища вследствие поверхности. В нижней части водоема ;имости от других факторов (особенностей нний период - от степени развития ветрового
ш гидрологического обмена водных масс в юсмотреть внутригодовой ход турбулентного
Таблица 2
го водохранилища в многоводном 1979 г.
Расчетные Ау, Ах,
створы г/см* с г/см* с г/см* с
Июль
Пермь 0,79 153 8673
Оханск 2,41 536 6954
Горы 1,54 1023 1372
Елово 10,8 4937 1617
Чайковский 20,5 15650 1002
Август
Пермь 88,64 771 3184
Оханск 87,69 958 5316
Горы 87,60 3800 16756
Елово 87,59 4190 36724
Чайковский 87,56 7329 69216
Сентябрь
Пермь 1,53 286 16685
Оханск 6,29 1000 16163
Горы 0,47 436 1260
Елово 7,33 3537 1652
Чайковский 17,7 13716 975
Октябрь
Пермь 1,48 276 14356
Оханск 6,18 970 14438
Горы 0,58 518 1216
Елово 7,63 3695 1575
Чайковский 18,2 14090 945
Ноябрь
Пермь 2,42 452 18221
Оханск 10,1 1411 20717
Горы 0,39 376 1277
Елово 5,78 3025 1660
Чайковский 14,9 11647 1077
Июнь
Пермь 1,8б 3б2 295G5
Оханск 5,74 1417 213б3
Горы G,74 557 24G6
Елово б,21 2811 3G57
Чайковский 11,4 8725 1847
Декаб рь
Пермь 4,45 835 13312
Оханск 18,7 244G 16G44
Горы G,56 539 882
Елово 8,4б 41б5 1222
Чайковский 21,2 1б4б4 7б4
Первый район - район переменного подпора от г.Перми до г.Оханска. Для него характерно возрастание продольной составляющей турбулентного обмена в весенний период (апрель - май) от 24,0*103 до 142* 103 г/см*с, а в 1964, 1972 и 1978 гг. в июне -32,1*103, 65,5*103 и 83,5* 103 г/см*с соответственно. Такой внутригодовой ход
коэффициента турбулентного обмена связан с увеличением уклонов свободной поверхности, уровня воды, проточности, скоростей течений. Повышение турбулентной активности наблюдается по всем направлениям.
В летний период наблюдается снижение турбулентной активности водных масс из-за полного наполнения водохранилища, уменьшения скоростей течения, приобретения потоком более или менее установившегося характера движения.
В осенний период турбулентный обмен снова увеличивается в связи с постепенной сработкой водохранилища, увеличением скоростей течения, кинетичности и турбулентности потока.
В зимний период в результате полной сработки величины коэффициентов несколько увеличиваются, что опять же связано с изменением различных параметров, вызванных колебанием уровня.
Второй район отличается следующими особенностями: турбулентный обмен в конце зимы уменьшается из-за сработки водных масс, наблюдается уменьшение кинетической энергии потока (снижение скоростей течения) в продольном направлении.
В весенний период продольная составляющая минимальна и составляет в среднем
0,50*103 г/см*с. В навигационный период турбулентность увеличивается вследствие потери энергии потоком на трение, некоторое влияние оказывает и ветровое волнение.
Вертикальный и продольный обмены имеют примерно одинаковый внутригодовой ход, который отличается сложным распределением внутри района. Так, например, наибольшие значения обоих коэффициентов повторяются на постах Оса, Елово, а вот в конце района, у плотины, максимумы приходятся уже на другие месяцы. Это можно объяснить своеобразием уровневого режима, изменением морфометрических параметров по длине водохранилища и другими факторами.
Таким образом, внутригодовой ход турбулентного обмена Боткинского водохранилища имеет своеобразие и различие в двух районах. Для первого района характерно повышение турбулентной активности в весенний период, уменьшение се в летний и возрастание в зимний. Во втором районе турбулентный обмен уменьшается весной, но увеличивается летом и снова уменьшается осенью. Причем во втором районе изменение турбулентного обмена носит более сложный характер по сравнению с его распределением в первом. Кроме того, изменения внутригодового хода турбулентного обмена происходят и год от года, т.е. помимо основных причин возникновения и изменения турбулентной активности имеют влияние водность года и характер регулирования стока. В силу вышесказанного можно сделать вывод о многофакторности и крайней сложности процесса внутреннего водообмена.
В ходе анализа распределения коэффициентов турбулентного обмена в различных направлениях за многолетний период выделено несколько лет, отличающихся от остальных величинами коэффициентов. Это 1979 г., в котором наблюдались самые высокие значения коэффициентов турбулентного обмена в продольном направлении в течение всего года, максимум пришелся на май и составил 142* 103 г/см*с. В 1964 г. максимальное значение поперечной составляющей за весь период исследования было установлено в апреле и составило 24,2* 103 г/см*с. Вертикальный коэффициент турбулентного обмена достиг
наибольшей отметки в марте 1978 г. и был равен 35,9 г/см*с. Минимальные же величины коэффициентов обмена во всех направлениях отмечались 1975 г. (Ах - 0,19*103, Ау = 0,01*103, Az = 0,01 г/см*с). Как видим, имеется значительная амплитуда изменения коэффициентов, зависящая от водности года. В остальные годы были установлены относительно средние значения коэффициентов турбулентного обмена.
Из этого следует, что распределение коэффициентов турбулентного обмена носит сложный характер и весьма разнообразно не только внутри года, но и в многолетнем периоде, что связано со значительным влиянием водности.
Выводы
В зависимости от влияния тех или иных факторов турбулентный обмен в различных направлениях происходит неодинаковым образом.
- Продольный обмен осуществляется при поступательном движении воды, наличии уклона водной поверхности и градиента силы тяжести, как правило, при значительном развитии проточных течений. Чем более развиты такие течения, тем интенсивней обмен в направлении их движения. Продольное направление характерно как для верхней, так и для нижней частей Воткинского водохранилища.
- Поперечный обмен обусловлен в первую очередь морфометрией водоема и поэтому более развит в нижней части водохранилища, имеющей более сложные морфометрические очертания.
- Гораздо менее развит на водохранилище вертикальный обмен. Ветер может создать благоприятные условия для вертикальной циркуляции. Этот вид турбулентного обмена наиболее развит в приплотинном районе.
Таким образом, причин возникновения составляющих турбулентного обмена в различных направлениях достаточно много.
Результаты расчета турбулентного перемешивания вод в разных частях исследуемого водоема позволили выявить участки и районы водохранилища с благоприятными и неблагоприятными условиями смешения вод, а следовательно, дали возможность прогнозирования хозяйственного использования некоторых из них. При дальнейшем исследовании могут быть выявлены такие участки водохранилища, где при существующем разбавлении сточных вод возможны превышения ПДК (по конкретным ингредиентам химического состава) и, следовательно, могут сформироваться условия для возникновения гидрологического и экологического риска.
Библиографический список
1. Буторин Н.В. Расчет коэффициентов турбулентного обмена в Рыбинском водохранилище / Н.В. Буторин, А.С. Литвинов // Химизм внутренних водоемов и факторы их загрязнения и очищения. М; Л.,1968.
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/ Перм. ун-т. Пермь, 1979. С. 129 - 134.
3. Девяткова Т.П. Методы расчета внутреннего водообмена в Камских водохранилищах и его особенности / Т.П. Девяткова, А.Б. Китаев, И.К. Мацкевич и др. // Комплексные исследования гидрологии и водной экологии камских водохранилищ и рек их водосборов /Перм. ун-т. Пермь, 1987. С. 15 -21.
4. Доброклонский С.В. Турбулентная вязкость в поверхностном слое моря и волнение / С.В. Доброклонский //Докл. АН СССР. 1947.
5. Знаменский В.А. Анализ потерь энергии в водоемах и предложения по моделированию гидравлического режима / В.А. Знаменский // Груды ГГИ. 1968. Вып. 155.
6. Знаменский В.А. Оценка турбулентности и гидравлических сопротивлений при волновом движении жидкости в водоемах / В.А. Знаменский // Там же. 1969. Вып. 169.
7. Знаменский В.А. Гидрологические процессы и их роль в формировании качества воды/ В.А. Знаменский. Л.: Гидрометеоиздат, 1981.
8. Караушев А.В. Сгонно-нагонные явления на водохранилищах / А.В. Караушев. Л.: Гидрометеоиздат, 1960.
9. Китаев А.Б. Роль гидродинамических факторов в формировании гидрохимического режима долинных водохранилищ (на примере камского каскада): автореф. дис.канд. геогр.наук / А.Б. Китаев. Пермь, 1983. 22 с.
10. Китаев А.Б. Обмен вод в искусственных водоемах (на примере водохранилищ Камского каскада): учеб. пособие по курсу / А.Б. Китаев. Пермь, 2005. 112 с.
11. Китаев А.Б. Особенности турбулентного обмена вод в Камском и Боткинском водохранилищах и методы его оценки / А.Б. Китаев, Т.П. Девяткова // Географический вестник/Нерм.ун-т. Пермь, 2006. №2(4). С.67 - 75.
12. Тарасов М.Н. Изменение гидрохимического режима рек при их зарегулировании водохранилищами и вопросы прогнозирования / М.Н. Тарасов, И.М. Павелко // Гидрохимические материалы. 1969. Т.50.
13. Тимофеев В.Т. Косвенные методы выделения и анализа водных масс / В.Т. Тимофеев, В.В. Панов. Л.: Гидрометеоиздат, 1962.
14. ЧеботаревА.И. Общая гидрология / А.И. Чеботарев. Л.: Гидрометеоиздат, 1975.
