Содержание к диссертации
Введение
1. Физико-географическая характеристика бассейна Енисея 11
1.1. Геологическое строение 11
1.2. Рельеф и особенности ландшафтов 15
1.3. Почвы 18
1.4. Растительность 22
1.5. Климатические условия 25
1.6. Краткая гидрографическая характеристика 32
1.7. Выводы 36
2. Характеристика элементов гидрологического режима Енисея в естественных условиях
2.1. Водный режим 38
2.1.1. Питание реки 38
2.1.2. Внутригодовое распределение стока 39
2.1.3. Режим уровней воды до строительства ГЭС 40
2.2. Термический режим 43
2.3. Режим замерзания реки 45
2.3.1. Сроки установления ледостава 46
2.3.2. Уровенный режим в период установления ледостава 49
2.4. Выводы 52
3. Изменение ледово-термического режима рек Енисея и Ангары в зарегулированных условиях
3.1. Зимний режим реки Енисея в нижнем бьефе Красноярской ГЭС
3.1.1. Характеристика гидроузла 54
3.1.2. История исследований нижнего бьефа 55
3.1.3. Изменение водного режима в результате регулирования стока Красноярской ГЭС
3.1.4. Температура воды в нижнем бьефе 58
3.1.5. Образование ледостава 61
3.1.6. Полынья 64
3.1.7. Режим перемещения кромки ледостава 66
3.1.7.1. Подвижки льда 66
3.1.7.2. Общая схема образования зажоров 67
3.1.7.3. Значения Кзим в зарегулированных условиях при 72 эксплуатации ГЭС
3.1.8. Образование зажоров льда на Енисее в зарегулированных 78 условиях
3.1.9. Места образования зажоров на Енисее. Сведения об участках 81
3.2. Зимний режим Енисея в нижнем бьефе Саяно-Шушенской 81 ГЭС
3.3. Зимний режим реки Ангары в нижнем бьефе Усть-Илимской 88 ГЭС
3.3.1. Зимний режим Ангары в бытовых условиях 90
3.3.2. Зимний режим Ангары после ввода Братской ГЭС 94
3.3.3. Зимний режим Ангары после ввода Усть-Илимской ГЭС 96
3.4. Выводы 101
4. Краткий обзор методов расчета и прогноза характеристик зимнего режима рек
5. Физико-статистические зависимости для прогноза элементов зимнего режима реки Енисей на участках перемещения кромки ледостава в нижнем бьефе Красноярской ГЭС
5.1. Исходная информация 116
5.2. Прогнозы сроков замерзания на Енисее 121
5.3. Прогнозы подвижки льда 127
5.4. Прогнозы уровней воды при установлении ледостава 131
5.5. Прогнозы уровней воды при подвижке льда 135
5.6. Схема выпуска прогноза 138
5.7. Выводы 141
Заключение 143
Список литературы 145
Приложения 157
- Рельеф и особенности ландшафтов
- Внутригодовое распределение стока
- История исследований нижнего бьефа
- Краткий обзор методов расчета и прогноза характеристик зимнего режима рек
Введение к работе
Актуальность работы. Саяно-Шушенская, Майнская, Красноярская, Иркутская, Братская и Усть-Илимская ГЭС, созданные в речной системе Енисея и Ангары, представляют собой уникальные искусственные сооружения, нарушившие естественный гидрологический режим, изменившие мор-фометрические и гидравлические характеристики верхних и нижних бьефов. Изменились динамика процессов замерзания и вскрытия рек, сроки и продолжительность ледовых явлений.
Создание крупнейших в мире гидроэлектростанций на Енисее и Ангаре поставило на повестку дня проблему эффективного комплексного управления водными ресурсами водохранилищ Ангаро-Енисейского каскада с учетом требований гидроэнергетики, судоходства, водоснабжения, рыбного хозяйства, охраны природы. При водохозяйственном использовании рек существенное значение имеет правильный учет их ледового режима.
В зимний период в нижних бьефах созданных ГЭС образуются незамерзающие полыньи. Наиболее протяженная полынья устанавливается на Енисее ниже плотины Красноярской ГЭС. В суровые зимы минимальная ее длина в феврале составляет 100 км, тогда как в теплые зимы увеличивается до 315 км.
Скачкообразные изменения длины полыньи наступают при подвижках кромки ледостава. Подвижки кромки ледостава вызывают резкие подъемы уровней воды. Связанные с ними подтопления и наводнения приводят к значительным ущербам. Подвижки кромки ледостава характерны для начального периода замерзания реки в условиях нестабильного режима погоды и сбросов ГЭС.
Современные физико-математические модели формирования ледяного покрова в нижних бьефах гидроэлектростанций позволяют рассчитать длину полыньи и динамику ее колебаний, что важно для прогноза изменений зим-
него режима вновь проектируемых ГЭС. Однако они не решают задачу прогноза подъемов уровней воды при подвижках кромки ледостава.
Для планирования безопасных попусков ГЭС в зимний период и предупреждения о возможных наводнениях необходимы прогнозы характеристик зимнего режима реки в нижних бьефах гидроэлектростанций. Таким образом, актуальность постановки и попытка решения этой задачи проявляются как в теоретическом, так и практическом аспектах проблемы.
Правительство РФ распоряжением от 22.02.2008 № 215-р утвердило «Генеральную схему размещения объектов электроэнергетики на период до 2020 года». Согласно генеральной схеме, на Енисее и его основных притоках планируется размещение ряда высоконапорных ГЭС: Эвенкийской ГЭС на Нижней Тунгуске, Нижне-Богучанской и Мотыгинской ГЭС на Ангаре. Энергетическое строительство приведет к дальнейшим изменениям элементов осенне-зимнего режима зарегулированных рек. Основные положения диссертационной работы могут быть учтены как при подготовке правил использования проектируемых водохранилищ, так и при корректировке действующих «Основных положений правил использования водных ресурсов Красноярского водохранилища на р. Енисей» и «Основных правил использования водных ресурсов водохранилищ Ангарского каскада ГЭС».
Объекты исследования - бассейн Енисея в нижних бьефах Саяно-Шушенской, Майнской и Красноярской ГЭС; бассейн Ангары в нижнем бьефе Усть-Илимской ГЭС.
Целью работы является комплексное гидролого-географическое исследование зимнего режима и разработка на этой основе методов оперативного краткосрочного прогноза сроков установления ледостава, подвижек льда и подъемов уровней воды на примере участка р. Енисей в нижнем бьефе Красноярской ГЭС.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
создание электронного архива исходных данных для рассматриваемых участков речной системы Енисея и Ангары в створах наблюдений (уровни воды, расходы воды, температура воды, ледовые явления, положение кромки ледостава, температура воздуха, скорость ветра, относительная влажность воздуха, общая и нижняя облачность);
выявление закономерностей формирования зажорно-заторных явлений на участках Енисея и Ангары в зависимости от погодных условий, водного режима и регулирования Красноярской и Усть-Илимской ГЭС;
выявление закономерностей срыва кромки льда (подвижек льда) при установлении ледостава;
типизация ситуаций при установлении ледостава в системе «погода-попуски ГЭС - ледовый и уровенный режим нижнего бьефа» с применением аппарата дискриминантного анализа;
выявление факторов, определяющих величину максимального подъема уровней воды при заторно-зажорных явлениях и разработка прогностических регрессионных уравнений;
поиск и оценка взаимосвязей элементов зимнего режима (сроков установления ледостава, подвижек льда и подъемов уровней воды) с гидрометеорологическими, ледово-термическими и гидродинамическими факторами.
Методическая основа исследования:
комплексный гидролого-географический анализ;
гидрофизические методы и расчеты (теплообмен водной поверхности с атмосферой; расстояние до нулевой изотермы; расходы шуги и др.);
статистические приемы выявления прогностических зависимостей по данным многолетних гидрометеорологических наблюдений.
В основу исследования положен макрогенетический подход, обеспечивающий возможность разработки методов прогноза, реализуемых в условиях
ограниченной гидрометеорологической информации. В работе использовались статистические и графические программные средства обработки информации.
Исходные данные. Работа основана на материалах стандартных многолетних наблюдений гидрометеорологической сети Среднесибирского УГМС, а также информации о положении кромки ледостава за многолетний период с 1970 по 2006 гг., полученной в оперативном режиме от работников службы гидрологических постов, от администраций районов, а за последние годы- с использованием регулярно поступающей информации спутника TERRA.
Научная новизна.
Выявлены основные закономерности осенне-зимнего ледового режима и связанные с ними зимние подъемы уровней воды в нижних бьефах ГЭС на Енисее и Ангаре.
Впервые для Енисея и Ангары выполнены комплексные систематические исследования динамики кромки ледостава, образования зажоров льда, изучены места их возникновения, как при естественном режиме, так и в зарегулированных условиях.
Разработана единая система физико-статистических зависимостей для прогноза нестационарного перемещения кромки ледостава, подвижек льда и колебаний уровней воды в нижнем бьефе Красноярской ГЭС с применением дискриминантного анализа и регрессионных моделей.
Основные положения диссертации, являющиеся предметом защиты.
1. Строительство системы высоконапорных ГЭС (на Енисее и Ангаре) привело к многообразным существенным изменениям зимнего режима реки Енисей. Сравнительный географический анализ этого режима в периоды до и после создания ГЭС позволил сформировать теоретическую основу для по-
нимания генезиса процессов замерзания реки в зарегулированных условиях и выявить особую активность развития ледовых процессов в приплотинных участках нижнего бьефа.
В нижних бьефах Енисейских и Ангарских ГЭС заметно возросла частота образования зажоров льда и подъема уровней воды, образовались обусловленные специфическими факторами постоянно существующие полыньи с резкими изменениями их длины (в результате подвижек льда) и зимними наводнениями.
Элементы зимнего режима реки Енисей зависят от температуры воздуха и воды, сбросов ГЭС, уровней воды, параметров теплообмена водной поверхности с атмосферой. Для нижнего бьефа Красноярской ГЭС эти зависимости могут быть положены в основу методов оперативного краткосрочного прогноза таких характеристик как сроки установления кромки льда, даты подвижек льда, высота подъема уровней воды при ледоставе и подвижках.
Практическая значимость.
Диссертация подводит итог исследований, проводимых автором по планам Росгидромета в 1991-1996 гг. (темы № 1.9.2.20 «Разработать метод прогноза высоких заторно-зажорных уровней на участках р. Енисей и на р. Ангара ниже Богучанской ГЭС»; 1.9.2.15 «Прогноз сроков установления кромки ледостава и подвижек льда р.Енисей в нижнем бьефе Красноярской ГЭС»; 1.9.2.10 «Разработать методы прогнозов элементов зимнего режима рек Ангары и Енисея на участках перемещения кромки ледостава в нижних бьефах ГЭС»; в 2000 г. - по договору с Главным управлением по делам гражданской обороны и чрезвычайным ситуациям администрации Красноярского края «Разработка методики прогноза уровней воды, вызванных заторными (зажорными) наводнениями в районе населенного пункта Ворогово»; в 2007 г. - по договору № 016-02-07 с ЗАО «Богучанская ГЭС «Оценка воздействия на окружающую среду Богучанской ГЭС (БоГЭС) на реке Ангара». Работа выполнялась в Красноярском филиале Сибирского регионального на-
учно-исследовательского гидрометеорологического института, в научно-исследовательском центре Красноярского УГМС, государственном учреждении Красноярский ЦГМС-Р.
Разработанные методы краткосрочных прогнозов дат установления ледостава и подвижек льда внедрены в практику и используются в качестве основных в отделе гидрологических прогнозов Среднесибирского УГМС (решение технического семинара Красноярского ГМЦ от 25.12.1996 г.). Прогноз рассчитывается на персональном компьютере по специально разработанным для пользователя программам.
Прогнозы позволяют своевременно предупреждать о возможных наводнениях и используются для назначения оптимальных режимов работа Ангаро-Енисейского каскада ГЭС в осенне-зимний период.
Результаты выполненных исследований найдут применение при разработке новых «Правил использования водных ресурсов Ангаро-Енисейского каскада ГЭС», отвечающих требованиям безопасного проживания населения и выработки электрической энергии.
Учет сложных ледовых явлений позволит предотвратить или снизить ущерб от водной стихии за счет заблаговременной подготовки мероприятий по защите населения, населенных пунктов и хозяйственных объектов, за счет обоснованного планирования режимов ГЭС.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на техническом семинаре Красноярского ГМЦ (1996); на VI Международной конференции «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (Красноярск, 2001); на VII научно-практической и методической конференции, посвященной 100-летию Красноярского отдела РГО «География на службе науки, практики и образования» (Красноярск, 2001); на VI Всероссийском гидрологическом съезде (Санкт-Петербург, 2004), на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Социально-экологические про-
блемы природопользования в Центральной Сибири» (Красноярск, 2006), на кафедре природообустройства института землеустройства, кадастров и при-родообустройства Красноярского государственного аграрного университета (2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в которых с достаточной полнотой отражены основные положения диссертационного исследования.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы, пяти приложений. Основной текст изложен на 169 страницах машинописного текста, включает 43 таблицы и 17 рисунков. Список литературы содержит 118 источников.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю — профессору, д.г.н. Д.А. Буракову - за научное руководство работой, помощь на всех этапах выполнения работы и поддержку во время подготовки диссертации.
Ценные консультации и помощь при выполнении данной работы оказали сотрудники отдела гидрологических прогнозов Среднесибирского УГМС - гидрологи И.Д. Поляковская, Н.Н. Киселева, Л.А. Младенцева, ведущий гидролог отдела разработки и внедрения гидрометеорологических прогнозов С.А. Холод. Всем им автор искренне благодарен и признателен.
Рельеф и особенности ландшафтов
Рельеф и геологическое строение взаимосвязаны. В зависимости от геологического возраста и характера горных пород, из которых сложены дно и склоны речной долины, меняются продольные уклоны и морфометрия долины в плане и поперечном разрезе, и, как следствие, — возникают пороги, перекаты, сужения и расширения долины, многоостровья, являющиеся причиной образования ледоставных перемычек, зажоров, заторов. Бассейн Енисея характеризуется очень сложным рельефом и асимметричностью: его правобережная горная и хорошо развитая часть в 5-6 раз больше левобережной, расположенной в виде узкой полосы на восточной окраине Западно-Сибирской низменности. Горы и плато занимают около половины площади, на низменности приходится около 6%, остальная часть занята холмами и межгорными котло винами. Основными орографическими элементами являются: Западный и Восточный Саян, Среднесибирское плоскогорье, Енисейский кряж, Западно Сибирская низменность, Северо-Сибирская низменность, горы Бырранга и Путорана (рис. 1.1). Большую по площади часть исследуемой территории занимает Среднесибирское плоскогорье, простирающееся в меридиональном направлении более чем на 1500 км, а с запада на восток — по всей ширине бассейна Енисея. Граничащая с ним на западе Западно-Сибирская низменность вытянута вдоль левого берега Енисея в виде сравнительно узкой полосы (100-250 км) от северо-западных отрогов Восточного Саяна до берегов Карского моря.
Северная оконечность Среднесибирского плоскогорья, представленная горами Путорана, круто обрывается к Северо-Сибирской (Таймырской) низменности, которая в свою очередь на севере ограничена крутыми уступами гор Бырранга. Южную часть описываемой территории занимает Алтайско-Саянское нагорье, к которому с юга примыкает северная окраина Котловины Больших озер.
Ниже дана краткая характеристика отдельных элементов орографии бассейна Енисея [101]. Западно-Сибирская равнина характеризуется небольшим общим уклоном поверхности и слабой дренированностью. Ее территория подвергалась неоднократным оледенениям (демьяновское, самаровское, енисейское и зырянское), которые оказали существенное влияние на состав четвертичных отложений.
Равнинный рельеф и неглубокий врез речных русел явились причиной значительной заболоченности равнины и наличия на ее поверхности большого числа озер различного происхождения. Высокое увлажнение заболоченной поверхности данного района смягчает контрасты температуры воздуха, поэтому континентальность климата, по сравнению с другими районами, несколько смягчена.
Таймыр. Для этого района характерен среднегорный рельеф и обширные низменности, заполненные мощными толщами рыхлых отложений. Северное положение района предопределяет характер многих его природных условий, в частности суровость климата, значительную расчлененность горных сооружений, как следствие резко выраженных контрастов погодных условий и деятельности разрушительных факторов, влияние современного оледенения и т. д. Широкое распространение имеют здесь арктические и тундровые ландшафты. Среднесибирское плоскогорье занимает западную часть Сибирской платформы, где широкое распространение имеют вулканические (главным образом мезозойские) породы. В целом это обширное (в пределах Красноярского края площадь плоскогорья составляет около 1,2 млн. км") и сравнительно высокое плато, поверхность которого сильно расчленена долинами многочисленных рек. На большей части плоскогорья абсолютные высоты довольно однообразны, их изменение происходит в относительно небольших пределах — от 500 до 800 м.
В различные периоды здесь образовались сланцы, известняки, песчаники и другие осадочные породы. Кроме них на плоскогорье развиты магматические породы, причем наиболее широкое распространение получили траппы, представленные базальтами, диабазами и другими породами, близкими к ним по составу и происхождению. Вдоль тектонического уступа между Западно-Сибирской равниной и Среднесибирским плоскогорьем пролегает в меридиональном направлении долина Енисея.
Значительная вытянутость плоскогорья с севера на юг обусловила проявление широтной дифференциации ландшафтов — от лесотундры на севере до островной лесостепи на юге. Господствуют лесные ландшафты.
Енисейский кряж тянется вдоль правого берега Енисея на протяжении около 900 км. Он представляет собой древнее горное сооружение, сложенное метаморфическими породами, пронизанными интрузиями гранитов. В центральной, наиболее высокой части кряжа, отдельные вершины поднимаются до отметок 900—1104 м. Преобладают высоты, не превышающие 500—800 м. Поверхность и склоны кряжа сильно расчленены, много участков с каменными россыпями и осыпями. Реки, стекающие с кряжа, имеют горный характер. Они отличаются узкими долинами, быстрым течением, порожистыми руслами. На западных (наветренных) склонах кряжа выпадает значительное количество осадков. Широкое развитие получили здесь темнохвойные горные леса (ель, пихта, кедр). Восточные, менее увлажненные склоны покрыты лиственничными и лиственнично-сосновыми леса ми. Юго-восточная часть кряжа занята сосновыми борами.
Алтайско-Саянское нагорье охватывает восточную часть Алтая, Западный Саян, значительную часть Восточного Саяна и горы Тывы. Географическое положение данного района, находящегося вдали от морей и океанов, на границе сибирских и центрально-азиатских ландшафтов, обуславливает большое разнообразие природных условий отдельных его частей, в том числе и рельефа. Для рельефа характерно чередование межгорных котловин, лежащих на разных высотах, с хребтами и нагорьями, различная ориентация хребтов по отношению к путям движения влагосодержащих воздушных масс - это обуславливает разнообразие его природных условий. Значительные простирания нагорья с севера на юг приводят к широтной зональности, которая сказывается в различиях ландшафтов северных и южных котловин и склонов одной и той же экспозиции на разных широтах.
Характеристики рельефа влияют на величину и характер речного стока. Являясь климатообразующим фактором, рельеф определяет изменение увлажнения и теплообеспеченности территории, а, следовательно, и водность рек. От уклона русла и характеристик горных пород зависят кинетическая энергия потока и тип руслового процесса.
Внутригодовое распределение стока
Внутригодовое распределение стока на Енисее определяется сложными природными условиями бассейна реки и меняется по мере впадения его главнейших притоков. Распределение стока в течение года отличается большой неравномерностью и находится в зависимости от зональных и азональных факторов водосборной площади. Основная часть стока Енисея формируется весной и летом. По условиям распределения стока внутри года река относится к типу рек с весенне-летним половодьем снегодождевого происхождения [93, 101].
Сток всего весенне-летнего периода (апрель-сентябрь) составляет более 80% годового стока, на долю осеннего стока (октябрь-ноябрь) приходится от 9 до 12%, на долю зимнего - 6-12%) годового стока, с изменением процентного соотношения сезонного стока по длине Енисея.
В верховьях реки (в горных районах) половодье начинается поздно, поэтому более половины годового объема стока приходится на лето; весной и осенью река имеет почти одинаковую водность - около 20%, только зимой река становится маловодной. Внутригодовое распределение стока на Енисее меняется по мере впадения его главнейших притоков. После пересечения Минусинской котловины, вплоть до впадения Подкаменной Тунгуски, весенний сток постепенно увеличивается до 28%, летний снижается до 43%. а зимний возрастает до 9%. Это обусловлено более ранними сроками половодья на степных и лесостепных притоках Енисея и впадением Ангары, имеющей равномерный сток с низким процентом летнего. В низовьях Енисея, у г. Игарки, после впадения рек Нижней Тунгуски, Турухана и Курейки, имеющих очень высокий летний сток, характер внутри-годового распределения стока Енисея по сезонам вновь становится примерно таким же, как и в верховьях [93, 101]. В годовом ходе уровней воды Енисея выделяется высокое и продолжительное весенне-летнее половодье, подъемы от летне-осенних паводков, обусловленных дождями, осенняя и зимняя межень. Весенне-летнее половодье на Верхнем Енисее обычно начинается в начале мая, на Среднем - в конце апреля, на Нижнем Енисее это явление наблюдается примерно на 30 дней позднее. Половодье длится 2,5 - 3,5 месяца.
Объем стока за период половодья зависит от накопленных в холодное время года запасов воды в снежном покрове, количества весенних осадков (март-июнь), глубины промерзания почвы, увлажнения почв бассейна в предшествующий половодью летне-осенний сезон. Длительность и характер половодья определяется условиями таяния снега. При дружном таянии половодье обычно протекает бурно, отличается высокими подъемами воды и проходит за короткий период времени. При ранней, но затяжной весне сход снежного покрова происходит медленно. В результате наблюдается низкое растянутое половодье. Выпадающие в это время дожди усиливают водность реки. Часто дожди формируют серию подъемов на спаде половодья.
После прохождения половодья, в сентябре - октябре начинается летне-осенняя межень. Она продолжается 20- 40 дней, а затем плавно переходит в зимнюю межень, продолжительность которой составляет 140-160 [93]. Верхний и Средний Енисей замерзают во второй половине ноября, вскрываются ото льда в конце апреля, то есть период ледостава продолжается 150-170 дней. Нижний Енисей на верхнем участке замерзает в начале ноября, а ниже Игарки — в конце октября. Вскрытие реки проходит здесь в конце мая — начале июня, ледостав длится 180-200 дней (на нижнем участке 200-230 дней).
На уровенный режим Енисея большое влияние оказывают основные его притоки, протекающие в разных природных зонах. На Верхнем и Среднем Енисее в половодье наблюдается несколько подъемов, обусловленных, главным образом, неравномерным и неодновременным поступлением талых вод в русло реки из различных высотных зон бассейна. На Нижнем Енисее ход уровня воды во время весеннего половодья представлен одной мощной высокой волной, сформированной в результате массового поступления талых вод с большей части площади бассейна, имеющей относительно одинаковое высотное положение.
Начало подъема уровней воды на Верхнем и Среднем Енисее приурочено к середине апреля и вызвано притоком талых вод с равнинных и предгорных районов. До создания высоконапорных ГЭС вскрытие Енисея на участке от Кызыла до устья Ангары происходило в конце апреля - начале мая.
На высоту подъема уровней большое влияние оказывали заторы льды, возникавшие во время вскрытия реки. Наивысшие уровни в бытовом режиме реки были в основном заторного происхождения (табл. 2.2) [93]. Превышение максимального значения уровня над низшим зимним составляло на Верхнем Енисее 3-5 м, на Среднем Енисее 5-8 м.
Ниже устья Ангары гидрограф половодья имел вид одной волны. Вскрытие происходило при высоким уровнях, близких к наивысшим, под влиянием механического взламывания ледяного покрова на подъеме весеннего половодья. Величина подъема на участке от г. Енисейска д. Подкаменной Тунгуски составляла 8-10 м, ниже, до с. Селиванихи - 13-16 м, у г. Игарки подъем достигал наибольшей высоты - 16-18 м. Далее происходило частичное распластывание волны, повышение у г. Дудинки составляло 8-10 м.
История исследований нижнего бьефа
Ниже г. Красноярска водный режим Енисея определяется, помимо естественных причин, влиянием работы ГЭС — Красноярской на Енисее и Усть-Илимской на Ангаре. Большое влияние оказывают впадающие крупные притоки: Ангара, Подкаменная Тунгуска, а также менее крупные - Большой Пит, Сым, Дубчес и другие. Относительная роль бокового притока по отношению к суммарному стоку в створах ГЭС изменяется во времени вследствие сезонных колебаний водного питания рек.
После зарегулирования резко изменился водный режим Енисея. Зимние расходы воды увеличились в 2-2,5 раза, а расходы в период половодья (май-июнь) снизились примерно в 1,5-2 раза (табл. 3.1); средние максимальные расходы воды снизились у г. Енисейска в 1,4 раза, а у д. Подкаменная Тунгуска - в 1,03 раза, то есть практически не изменились (табл. 3.2).
Средние месячные и декадные расходы воды в зарегулированных условиях изменяются сравнительно равномерно в течение года. Это достигается за счет «срезки» высоких расходов воды в период половодья и соответствующего их увеличения в зимний период по сравнению с естественным режимом реки. С удалением от плотины Красноярской ГЭС, по мере возрастания объема незарегулированного бокового притока, происходит постепенное увеличение стока весенне-летнего половодья, т.е. режим реки приближается к естественному, что наглядно иллюстрируется на графиках приложения 2.
После создания Красноярского водохранилища, в соответствии с изменением водности, на участке Казачинское - Подкаменная Тунгуска произошло повышение низших летне-осенних уровней воды на 1-3 м, низших зимних - на 1-2 м (табл. 3.3).
На всем рассматриваемом участке Енисея в зарегулированных условиях отмечено снижение уровней весеннего половодья, включая уровни воды заторного происхождения, на 1,5 — 4 метра (в створе Подкаменная Тунгуска — на 0,3-0,4 м). Уровни периода ледостава в среднем увеличились на 1,5-3,7 м, однако их высшие значения снизились (см. табл. 2.2, 3.3, 3.7).Для режима уровней воды Енисея стали характерными внутрисуточные колебания, особенно глубокие зимой. При нормальной загрузке Красноярской ГЭС четко сохраняется периодичность колебаний уровня воды с постоянными сроками наступления максимальных и минимальных значений.
Так, у г. Красноярска минимальные значения уровня воды на Енисее наступают всегда в 9-10 час, а максимальные — в 23-01 час. Ниже по течению эти сроки сдвигаются (у Атаманово через 12-14 час, у Предивинска - через 22-24 час). Амплитуда колебания уровня воды зимой за сутки составляет 0,6-1,2 м.
Влияние внутрисуточного хода сбросов Красноярской ГЭС сказывается до створа с. Казачинское. В районе с. Ворогово, вследствие увеличения притока воды с промежуточной площади водосбора и трансформации попуско-вых волн русловой емкостью, колебания сбросов практически не проявляются [87].
В результате поступления относительно теплых вод весной, и холодных - осенью, в эти периоды наблюдается пространственная термическая неоднородность водной массы по длине водохранилищ. На границах смещения теплых и холодных вод образуется термический бар, препятствующий проникновению теплых весенних и холодных осенних вод к плотинам. Так, в Красноярском водохранилище, из-за наличия весеннего и осеннего термического бара, температура воды на приплотинном участке переходит через 4 С с большим запаздыванием по сравнению с бытовыми условиями, — соответственно в середине июня и в конце первой декады декабря [60,62].
В результате применения водозаборов глубинного типа, из водохранилища в нижний бьеф поступает относительно теплая вода зимой и холодная -летом. Температура воды составляет: в ноябре 10-6С; в середине декабря 4С; в январе 3,8-3,2С; в феврале около 3С [60, 62, 87].
У г. Красноярска переход температуры воды через 4 С весной происходит в начале июня, а осенью - в конце ноября. Летний прогрев воды идет медленно, и максимальных своих значений температура воды достигает в августе-сентябре.
Краткий обзор методов расчета и прогноза характеристик зимнего режима рек
Ледостав на средних и крупных реках, как правило, наступает в период осеннего (или зимнего) ледохода. Продолжение морозов после начала ледохода приводит к увеличению его густоты, возрастанию размеров и толщины льдин, а также росту ширины заберегов. В местах, благоприятных для остановки льдин (крутые повороты, участки расположения островов и др.), возникают ледяные перемычки, которые при сравнительно теплой погоде могут прорываться под напором воды. Однако при достаточно низкой температуре воздуха льдины смерзаются, перемычки становятся прочными и служат очагами ледостава на вышерасположенном участке. Расстояние между перемычками определяется морфологическими и гидравлическими особенностями рек.
Кромка ледостава продвигается от ледоставной перемычки вверх по течению реки как за счет остановки подплывающих к ней льдин и их смерзания, так и за счет продолжающегося процесса ледообразования, увеличивающего количество плывущей шуги на участке между соседними ледостав-ными перемычками [25, 36]. В процессе замерзания шугоносных рек на участках с повышенными уклонами водной поверхности образуются скопления шуги и льда, называемые зажорами льда и вызывающие резкие подъемы уровней воды (зажорные подъемы). Количественные характеристики зажор-ных подъемов и зажорных уровней воды на реках систематизированы и обобщены в «Каталоге заторных и зажорных участков рек СССР». По данным исследований, выполненных на Ангаре, Волге, Неве, Днестре и др., установлено, что зажоры могут образовываться на участках рек с уклонами водной поверхности, превышающими 0,05%о [34].
В нижних бьефах ГЭС зажоры формируются в течение всей зимы в зависимости от погодных условий и режима работы ГЭС. Вследствие неоднородности гидравлических и морфологических характеристик по длине нижнего бьефа образуется каскад зажоров различной мощности. Особенно сложные ледовые условия наблюдаются в зоне пульсации кромки ледяного покрова. В результате колебаний температуры воздуха и расходов воды на границе полыньи может происходить срыв кромки льда и образование зажоров. Поступающий под лед обломочный материал усиливает стесненность русла, что приводит к дополнительному подъему уровней воды выше кромки. Высокие зажорные уровни воды иногда достигают опасных отметок и приводят к затоплению территорий. Зажоры относятся к стихийным природным явлениям, причиняющим значительный материальный ущерб народному хозяйству.
Для обеспечения безаварийной работы водного транспорта, энергетики, коммунальной, дорожной и других отраслей народного хозяйства необходимы прогнозы ледовых явлений на замерзающих реках, в том числе прогнозы сроков начала ледостава и особых явлений, возникающих при замерзании рек - зажоров льда. Существенный вклад в развитие ледовых прогнозов внесли Л.Г. Шуляковский, И.Я. Лисер, В.Н. Карнович, Р.А. Нежиховский, Р.В. Дон-ченко, В.А. Бузин и др.[113 - 118, 68, 46, 79, 31, 34 - 36, 38, 13 - 16]. Ниже излагаются основные существующие методы расчетов и прогнозов характеристик зимнего режима рек.
Сроки замерзания рек непосредственно связаны с метеорологическими условиями. Атмосферные процессы и условия погоды, определяющие появление льда на реках и их замерзание, охватывают одновременно значительные территории. Разработка методов долгосрочных ледовых прогнозов является в большей мере метеорологической задачей, чем гидрологической. Основой разработки метода долгосрочного прогноза, например, сроков появления льда, является изучение закономерностей атмосферной циркуляции, на основе которых можно заблаговременно предвидеть сроки наступления морозов в данном году. Проблема долгосрочных прогнозов погоды, а следова тельно, и долгосрочных ледовых прогнозов, до сих пор является одной из наиболее трудных проблем гидрометеорологии и пока не получила вполне удовлетворительного решения [88].
Большой вклад в изучение ледового режима и разработку физических основ краткосрочных ледовых прогнозов внесли В.В. Пиотрович, Л.Г. Шуля-ковский, С.Н. Булатов. Методику расчета времени появления льда на реках разработал Л.Г. Шуляковский. Для ее реализации им разработаны формулы расчета температуры воды в реках и водоемах, учитывающие отдачу тепла в атмосферу с поверхности реки, приток тепла с грунтовыми водами, теплоотдачу дна и диссипацию энергии в потоке воды [115-118].
Наличие за достаточно длительный период данных наблюдений за температурой воздуха и воды, ледовыми явлениями, в ряде случаев позволяет разработать эмпирические зависимости для краткосрочных прогнозов появления льда на реках. Они основаны на установлении связи между начальным теплозапасом воды и теплопотерями, приводящими к появлению льда. Последние косвенно характеризуются суммой градусов отрицательной средней суточной температуры воздуха [73, 83].
Как уже было сказано выше, процесс ледостава на участке реки начинается обычно с образования первых перемычек неподвижного льда в местах уменьшения скорости течения, у островов, на поворотах реки. Для образования первых ледяных перемычек, по крайней мере, необходимы два условия: 1) охлаждение воды, вызывающее усиление ледохода до сплошного; 2) температура воздуха не должна быть выше некоторого критического значения, при котором обеспечивается быстрое смерзание льдин и поддерживается достаточно интенсивное ледообразование.
