Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Актуализация проблемы изменения морфометрических параметров равнинных водохранилищ в период эксплуатации 16
1.1 Роль водохранилищ в обеспечении водными ресурсами населения и экономики России 16
1.2. Практическая необходимость прогнозирования изменения морфометрических параметров водохранилищ в период эксплуатации..21
1.3. Количественная значимость процессов, участвующих в изменении морфометрических параметров водохранилищ 27
1.4. Научно -техническое состояние проблемы
1.4.1. Состояние исследований о переформировании берегов водохранилищ 32
1.4.2. Состояние исследований о переформировании ложа водохранилищ 45
1.4.3. Начало работ по уточнению морфометрических параметров больших эксплуатируемых водохранилищ 51
1.4.4. Обзор публикаций зарубежных авторов 52
1.4.5. Резюме о состоянии изученности проблемы 53
1.5. Предмет диссертационного исследования 54
Глава 2. Натурные исследования, теоретические основы и методы прогноза переформирования абразионных берегов равнинных водохранилищ 56
2.1. Наблюденные закономерности эволюции абразионных берегов водохранилищ за многолетний период эксплуатации и инфологическая модель процесса абразии 56
2.2. Математическое моделирование переформирования абразионных берегов водохранилищ 66
2.2.1. Прогнозная модель переформирования обвально- осыпных абразионных берегов водохранилищ на базе модифицированного энергетического метода Е.Г. Качугина 66
2.2.2. Адаптивный метод экстраполяции данных наблюдений и прогнозирования характеристик абразии берегов эксплуатируемых водохранилищ 78
2.3. Результаты многолетних инструментальных наблюдений и расчетных исследований переформирования абразионных берегов больших водохранилищ 90
2.3.1. Результаты инструментальных наблюдений переформирования абразионных берегов Горьковского водохранилища за период эксплуатации с 1957 г. по 2010 г. и прогноз до 2020 г 90
2.3.2. Результаты инструментальных наблюдений переформирования абразионных берегов Чебоксарского водохранилища за период эксплуатации с 1982 г. по 2011г.
и прогноз на 10 и 50 лет при существующем и проектном подпорных уровнях 109
2.3.3.Новые данные о размываемости волнами пород береговых склонов водохранилищ 125
2.3.4. Расчетная оценка оползневой опасности правобережья р. Волги в пределах Чебоксарского водохранилища при абразионной подрезке склонов 126
2.4. Закономерности многолетней динамики абразионных берегов малых водохранилищ на европейской территории страны 130
2.5. Выводы по главе 2 137
Глава 3. Натурные и теоретические исследования переформирования ложа и уточнение морфометрических параметров эксплуатируемых равнинных водохранилищ 139
3.1. Наблюденные тенденции осадконакопления в чашах водохранилищ в связи с переформированием донного рельефа 139
3.2. Реализованные технологии съемок донного рельефа и зондирования мощности отложений в водохранилищах
3.2.1. Примененные технические средства и оборудование 144
3.2.2. Технология эхолотной съемки донного рельефа больших водохранилищ 147
3.2.3. Технологии съемок донного рельефа и мощности донных отложений средних и малых водохранилищ со льда, воды, на осушенном ложе 150
3.3. Результаты эхолотных съемок донного рельефа верхневолжских водохранилищ и уточнения их морфометрических параметров на базе цифровых моделей рельефа 152
3.3.1. Создание цифровых моделей рельефа с учетом материалов эхолотных съемок для водохранилищ Верхней Волги 153
3.3.2. Расчеты на базе цифровых моделей рельефа современных морфометрических параметров и их изменений за период эксплуатации для Горьковского, Рыбинского, Чебоксарского водохранилищ 166
3.3.3. Адекватность ЦМР натурным ситуациям
3.4. Результаты натурных исследований заиления и переформирования чаш малых водохранилищ бассейна р. Волги 173
3.5. Выводы по главе 3 182
Глава 4. Натурные исследования, теоретические основы и методы прогноза переформирования термоабразионных берегов водохранилищ криолитозоны 184
4.1. Температурный режим берегового массива водохранилища 184
4.2. Наблюденные закономерности эволюции группы термоабразионных берегов водохранилищ за многолетний период
эксплуатации и инфологические модели процессов термоабразии... 187
4.3. Физическое моделирование обрушения термоабразионного берегового уступа 197
4.4. Математическое моделирование переформирований группы термоабразионных берегов водохранилищ
4.4.1. Прогнозная энергетическая модель переформирования берегов термоабразионного типа 201
4.4.2. Прогнозная энергетическая модель переформирования берегов термокарстового типа 217
4.4.3. Гипотетическая модель предельного переформирования мерзлых берегов 223
4.4.4. Методика аналитической оценки термоденудационного уполаживания берегового уступа после затухания термоабразии 230
4.5. Результаты многолетних инструментальных наблюдений и расчетных исследований переформирований термоабразионных берегов водохранилищ 234
4.5.1. Результаты инструментальных наблюдений переформирования термоабразионных берегов Вилюйского водохранилища за период эксплуатации с 1972 г. по 2011 г. и прогноз до 2030 г.. 234
4.5.2. Совместная реализация энергетической и адаптивной моделей при прогнозировании характеристик термоабразии берегов Амгуэмского водохранилища 251
4.5.3. Расчетный прогноз развития берегов Билибинского водохранилища по термокарстовому типу 255
4.5.4. Результаты расчетов переформирования термокарстовых берегов водохранилища на р. Вача до конечной стадии 257
4.6.Выводы ПО главе 4 261
Глава 5. Математическое моделирование оттаивания грунтов основания и тепловой осадки ложа водохранилищ криолитозоны 263
5.1. Предпосылки к моделированию температурного режима основания водохранилищ 263
5.2. Математические модели для прогнозных расчетов оттаивания мерзлых грунтов основания и оседания ложа водохранилищ 265
5.2.1. Одномерная модель техногенного термокарста в основании водохранилища 265
5.2.2. Двумерная модель температурного режима основания и берегов водохранилища с учетом осадки оттаивающих грунтов.271
5.2.3. Трехмерная модель предельного температурного состояния основания водохранилища с учетом тепловой осадки ложа...298
5.3. Результаты моделирования оттаивания грунтов основания и оседания ложа для уточнения морфометрических параметров водохранилищ 306
5.3.1. Натурные параметры и результаты расчетов развития термокарстового озера Сырдах как природного аналога водохранилища 306
5.3.2. Температурный режим основания и трансформация чаши Анадырского водохранилища за период эксплуатации 1960 - 2008 гг. и до 2030 г. по изысканиям и прогнозу 308
5.3.3. Результаты расчетных исследований предельного пространственного температурного состояния основания и оседания ложа водохранилища на ручье Кудулах 319
5.4. Инженерные решения по созданию малых водохранилищ в условиях вечной мерзлоты 321
5.5. Выводы по главе 5 326
Глава 6. Синтез общих закономерностей изменения морфометрических параметров водохранилищ в эксплуатационный период 328
6.1. Метод синтеза динамической модели процесса по измеренным характеристикам неоднородных объектов 328
6.2. Закономерности уменьшения объема равнинных водохранилищ европейской территории России
6.2.1. Аналитическое обобщение количественных данных для установления общих закономерностей уменьшения со временем объема равнинных водохранилищ 335
6.2.2. Общая закономерность потери полного объема больших равнинных водохранилищ в зависимости от возраста 341
6.2.3. Хронологическая и прогнозная модель потери объема водохранилищ Волжско-Камского каскада за период от начала эксплуатации до 2030 г 345
6.2.4. Общие закономерности потери полного объема малых равнинных водохранилищ и прудов 348
6.3. Закономерности увеличения объема водохранилищ криолитозоны 351
6.3.1. Приблизительные оценки и общая закономерность увеличения объема эксплуатируемых и проектируемых водохранилищ ГЭС криолитозоны в зависимости от возраста 351
6.3.2. Расчетные пределы и общая закономерность увеличения объема малых водохранилищ криолитозоны 358
6.4. Закономерности изменения длины береговой линии и площади зеркала водохранилищ 362
6.4.1. Теоретическое обоснование необходимости учета фрактальных свойств береговой линии водохранилищ при ее измерении 362
6.4.2. Общие закономерности изменения длины береговой линии и площади зеркала водохранилищ за многолетнийпериод эксплуатации 368
6.4.3. Принципиальная схема оценки потери земель в береговой зоне водохранилищ 375
6.5. Выводы по главе 6 378
Заключение 381
Список сокращений и условных обозначений 386
Список литературы
- Количественная значимость процессов, участвующих в изменении морфометрических параметров водохранилищ
- Прогнозная модель переформирования обвально- осыпных абразионных берегов водохранилищ на базе модифицированного энергетического метода Е.Г. Качугина
- Реализованные технологии съемок донного рельефа и зондирования мощности отложений в водохранилищах
- Прогнозная энергетическая модель переформирования берегов термоабразионного типа
Введение к работе
Актуальность темы. По данным Международной комиссии по большим плотинам в 2000 г. в мире насчитывалось более 45 тыс. водохранилищ. Приблизительно 0,5 - 1 % их полного объема терялось ежегодно из-за накопления донных отложений. Это означает, что в ближайшие 25-50 лет четвертая часть запасов воды в водохранилищах может быть потеряна. С учетом такой ситуации на 24 -м конгрессе по большим плотинам (Япония, 2012 г.) была принята Всемирная Декларация «Роль водохранилищ в обеспечении устойчивого развития», содержащая призыв активнее развивать водную инфраструктуру, что необходимо для устойчивого функционирования и быстрого роста экономик всех стран. В России на 1986 г. насчитывалось 2263 водохранилища объемом более 1 млн м3 каждое и их значение в экономике страны трудно переоценить. Подавляющее большинство (96 %) российских водохранилищ относится к долинному типу, который доминирует и в других странах мира. Наибольшее количество водохранилищ - равнинные: в группе с объемом свыше 10 млн м3 - 88 %, с объемом 1-10 млн м3 - 93 %. При этом из 327 водохранилищ объемом более 10 млн м3 242 расположены на европейской и 85 на азиатской территории, а из 1936 водохранилищ объемом 1-10 млн м3 1565 расположены на европейской территории. К 2005 г. число водохранилищ в России возросло до 2290. Объектом диссертационного исследования определены равнинные долинные водохранилища. В виду предстоящего продвижения гидроэнергетического и водохозяйственного строительства на северо-восток страны, значительное внимание уделено водохранилищам в криолитозоне.
Основные морфометрические параметры водохранилищ представляются кривыми объемов и площадей зеркала. Большинство российских водохранилищ эксплуатируются с использованием проектных кривых, теряющих с течением времени относительную первоначальную достоверность вследствие переформирования берегов и трансформации ложа. Проблема инженерной оценки изменения со временем морфометрических параметров действующих и перспективных водохранилищ в связи с прогнозированием изменения их об-
щей емкости, в т.ч. при разработке и реализации стратегии государственной безопасности в направлениях водо - и энергообеспечения, корректированием схем комплексного использования водных объектов, определением необходимости отчуждения или защиты прибрежных территорий от вредного воздействия вод, обеспечением экологической безопасности в регионах, приобретает практически важное значение для экономики России, как и других стран. Эта научно-техническая проблема составила предмет диссертационного исследования.
Связь диссертационного исследования с научными программами. Исследование, результаты которого явились основой диссертации, велось в составе: Межотраслевой программы сотрудничества Министерства образования и Федеральной службы специального строительства РФ по направлению «Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве» в 2002 - 2003 гг. по теме 02.04.029 «Разработка и совершенствование технических решений и технологий строительства инженерных сооружений в северной строительно-климатической зоне»; Тематических планов НИР Федерального агентства по образованию в 2002 - 2010 гг. по теме «Изучение, прогнозирование и регулирование процессов взаимодействия гидроузлов и водохранилищ с окружающей средой в сложных природных условиях» (№№ гос. per.01200203457; 01200503786; 01200703961; 01200902465); АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» по темам «Разработка научных основ и технологий защиты урбанизированных территорий от природных и антропогенных катастроф и негативных воздействий» в 2009 - 2011 гг. (№№ гос.рег. 01200902821; 01201152852), «Исследования процессов взаимодействия водохранилищ с основаниями и берегами в сложных природных условиях» в 2011 г. (№ гос.рег. 01201152861); Государственного задания Министерства образования и науки РФ на 2012 - 2013 гг. по теме «Экспериментальные и теоретические исследования поведения водохранилищ и плотин энергетических гидроузлов на эксплуатационной фазе жизненного цикла» (№ гос.рег. 01201256972); ФЦП «Возрождение Волги» и российско-германского проекта «Волга-Рейн»; гранта Прави-
тельства Нижегородской области; договорных НИР практической направленности с АК «Алмазы России-Саха», Верхне-Волжским БВУ Федерального агентства водных ресурсов МНР России, ОАО «Русгидро» и др; программы докторантуры в 2010 - 2013 гг. по специальности 05.23.07 - Гидротехническое строительство.
Цель и задачи диссертационной работы. На современном этапе решения проблемы цель диссертации заключалась в формировании теоретических основ установления количественных закономерностей изменения морфометриче-ских параметров равнинных водохранилищ европейской территории и северо-востока России в эксплуатационный период, включая модификацию существующих и разработку новых методов прогноза переформирований берегов и ложа на базе результатов многолетних натурных инструментальных наблюдений, для развития научных исследований, обоснования инженерных решений проектируемых и обеспечения мониторинга находящихся в эксплуатации объектов.
Для достижения поставленной цели в число основных были включены следующие задачи:
-
на базе анализа фактических и эвристических знаний актуализировать проблему инженерной оценки изменения морфометрических параметров водохранилищ в период эксплуатации, обосновать ее практическую значимость для экономики страны на предстоящие годы, необходимость проведения научных исследований, систематизировать их направления и предложить методологический подход к решению проблемы;
-
провести визуальные и инструментальные натурные наблюдения за абразионными и термоабразионными берегами водохранилищ в средней полосе и на северо-востоке страны, посредством системного анализа сопряженных в пространстве и времени полученных новых данных и привлеченных материалов прошлых лет выявить и уточнить наблюденные закономерности, сформировать унифицированный ряд инфологических моделей природно-техногенных процессов берегопереформирований;
3. разработать математические модели, развить существующие и теоретически обосновать новые методы расчетов переформирования абразионных берегов водохранилищ средней полосы и термоабразионных берегов водохранилищ криолитозоны для выполнения вариантных и перманентных постворовых и поучастковых прогнозов на этапах проектирования и эксплуатации;
4. провести расчетно-теоретические исследования берегопереформиро-
ваний на действующих водохранилищах разработанными методами для их ве
рификации, обоснования технической эффективности и в практических целях;
-
выполнить натурные и теоретические исследования трансформации со временем подводного рельефа, включая системный анализ и обобщение материалов прошлых лет об осадконакоплении в водохранилищах, реализацию технологий съемки дна с воды и со льда, математическое моделирование оттаивания и тепловой осадки ложа (в криолитозоне), уточнение морфометрических параметров водохранилищ на базе создаваемых цифровых моделей рельефа;
-
осуществить формализацию закономерных связей между темпом изменения морфометрии водохранилищ и природными факторами с помощью математических средств, предложить и разработать метод синтеза динамической модели процесса, выявить и теоретически обосновать общие количественные закономерности изменения с возрастом морфометрических параметров водохранилищ средней полосы и криолитозоны России;
7. обеспечить решение поставленных теоретических задач на ЭВМ.
Методология и методы исследования. Проблема оценки изменения мор
фометрических параметров водохранилищ в период их эксплуатации рассмот
рена в диссертации с позиций гидротехники с использованием представлений
системного анализа, инженерной геологии, механики грунтов, гидрологии, гид
ромеханики, теплофизики, элементов статистики и математического моделиро
вания.
Для решения проблемы избран следующий методологический подход: путем анализа разрешить теоретические вопросы при исследовании основных процессов, приводящих к изменению со временем морфометрических парамет-
ров водохранилищ, а для выявления общих закономерностей динамики последних применить синтез; при этом в базу анализа положить результаты натурных наблюдений и измерений, многофакторное математическое моделирование и прогнозирование трансформации берегов и ложа водохранилищ, в базу синтеза - систематизированные количественные данные об изменении морфометриче-ских параметров водохранилищ средней полосы и криолитозоны России, полученные в результате анализа.
При ограниченной доступности и высокой стоимости экспедиционных работ и стационарных наблюдений на водохранилищах, в качестве эффективного и малозатратного способа оценки и контроля активности рассматриваемых процессов применено прогнозное моделирование. Разовый прогноз признан анахронизмом, а наиболее приемлемыми для современной практики - вариантный прогноз (при проектировании водохранилищ) и перманентный прогноз (при эксплуатации). Основным средством прогноза приняты детерминированные виртуальные модели. Такие модели включают в себя: геометрическую, инженерно-геологическую, гидрологическую, температурную (в криолитозоне) модели расчетной области; инфологическую и имитационную математическую модели процесса; программу для ЭВМ, реализующую математическую модель. Трансформация чаш водохранилищ - процесс многофакторный, при этом часть факторов (волнение, уровень воды, температурные условия и др.) обнаруживает стохастическую природу, что учтено путем создания вероятностных моделей.
Адекватность прогнозных моделей рассматриваемым процессам могла быть оценена только эмпирически. Для этого использованы результаты проведенных исследований на действующих водохранилищах. Сходимость прогнозных величин с фактическими считалась хорошей, когда относительная ошибка не превышала 10-20 %, удовлетворительной - 20-50 %.
Направленность, количественные характеристики исследованных процессов выявлены и продемонстрированы на примерах конкретных водохранилищ в соответствии с их классификацией по размерам и расположением в природно-климатических зонах страны.
Научная новизна работы заключается в полученных результатах, совокупность которых представляет собой актуализацию, первое теоретическое обобщение и решение на уровне современных знаний научно-технической проблемы, имеющей важное значение для гидротехнического строительства и водного хозяйства страны. В частности:
1. посредством восстановленных натурных наблюдений по сохранившимся
створам с привлечением материалов прошлых лет впервые получены количе
ственные характеристики переформирований абразионных и термоабразионных
берегов больших и малых водохранилищ за весь многолетний период их экс
плуатации, также новые данные о размываемости пород береговых склонов;
-
по результатам многолетних натурных наблюдений генерирован ряд инфологических моделей, на базе энергетического подхода разработаны многофакторные детерминированные прогнозные математические модели для анализа переформирования берегов абразионной и термоабразионной генетических групп на водохранилищах средней полосы и криолитозоны;
-
сформулирован и разработан адаптивный (вероятностный) метод экстраполяции многолетних рядов наблюдений и прогнозирования количественных характеристик береговой абразии и термоабразии;
-
в части научно-прикладных основ оценки изменения морфометрических параметров водохранилищ вследствие осадконакопления разработаны и осуществлены технологии съемок дна с воды и со льда посредством автоматизированных эхолотных промерных комплексов ННГАСУ с созданием цифровых моделей донного рельефа;
-
в части теоретических основ оценки изменения со временем морфометрических параметров водохранилищ криолитозоны разработаны оригинальные многофакторные детерминированные прогнозные математические модели для анализа температурного режима основания и бортов водохранилищ с учетом тепловой осадки оттаявших пород;
-
для выявления закономерных связей между темпом изменения морфометрических параметров водохранилищ и природными факторами предложен и
разработан метод синтеза динамических моделей процессов по измеренным характеристикам неоднородных объектов, дано теоретическое обоснование с проверкой в натурных условиях необходимости учета фрактальных свойств береговой линии при измерении ее длины и площади зеркала водохранилищ;
7. из результатов аналитического обобщения авторских и привлеченных количественных натурных данных впервые синтезированы общие закономерности изменения объема, площади зеркала и длины береговой линии больших и малых водохранилищ средней полосы и криолитозоны России в период их многолетней эксплуатации.
Достоверность научных результатов обеспечена применением передовых технологий и сертифицированного оборудования в натурных исследованиях, правомерностью формализации рассмотренных процессов, многократно подтвержденной хорошей сходимостью данных математического моделирования с натурными данными за периоды многолетней эксплуатации водохранилищ, репрезентативностью статистических выборок при синтезе общих закономерностей, отсутствием противоречий с признанными научными положениями.
Личный вклад автора выразился в постановке проблемы, формулировании методологических основ ее решения, планировании, организации и осуществлении натурных экспедиционных исследований с обработкой полученных данных, создании методов и алгоритмов расчетов поставленных задач, анализе и обобщении полученных результатов, доведении научных разработок до практического использования. В начала теории автора ввел д.т.н., профессор СВ. Соболь, в экспедициях, обработке результатов, расчетных исследованиях участвовали аспиранты Д.Н. Хохлов, В.М. Красильников, А.С. Крупинов, Е.А. Гнетов, эффективную поддержку в вопросах программирования для ЭВМ оказали к.т.н., доценты Е.Н. Горохов, В.И. Логинов, стимулирующее внимание к работе проявил научный консультант автора в докторантуре д.т.н., профессор И.С. Румянцев. Всем им автор искренне благодарен.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что выявленные общие закономерности дают объективное представление о дина-
мике процессов переформирования берегов, ложа и изменения морфометриче-ских параметров равнинных российских водохранилищ в эксплуатационный период, а предложенные методы предназначены для выполнения научно обоснованных прогнозов этих процессов при разработке проектных решений по водохранилищам гидроузлов, организации их эффективной эксплуатации и реконструкции, а также могут быть использованы в научно-исследовательской и инженерно-педагогической деятельности.
С использованием разработанных методов и технологий выполнены прогнозы берегопереработки, созданы цифровые модели донного рельефа, уточнены морфометрические параметры Рыбинского, Горьковского, Вилюйского водохранилищ - в целях мониторинга, Чебоксарского - в проекте завершения строительства с повышением уровня до НПУ, Пензенского - при разработке СКИОВО, осуществлен ряд проектов берегоукреплений на больших водохранилищах и проектов малых водохранилищ. Результаты диссертационной работы включены в учебный процесс ННГАСУ и других вузов.
Апробация работы. Материалы диссертационного исследования обсуждались и были одобрены на научном семинаре «Инженерно-геологическое изучение термокарстовых процессов и методы управления ими при строительстве и эксплуатации сооружений». - С.-Петербург: ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1998; международном симпозиуме «Геологические проблемы строительства на востоке России и севере Китая». - Чита, 1998; проскуряковских чтениях «Проблемы гидрофизики при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов энергетики». - С.-Петербург: ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 2001; международном симпозиуме по строительству на вечной мерзлоте. - Якутск: ИМ СО РАН, 2002; международном семинаре «Волга-Рейн: технологии и окружающая среда». - Москва: ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова, 2002; научно-практической конференции по результатам реализации Межотраслевой программы Министерства образования и Федеральной службы специального строительства РФ по направлению «Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве». -Москва: МГСУ, 2003; международной научной конференции «Костяковские
чтения». - Москва: ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова, 2005; научно-практической конференции «Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность» -Кемерово, 2006; первом международном ноосферном северном форуме «Но-осферизм: арктический взгляд на устойчивое развитие России и человечества в XXI веке». - С.-Петербург, 2007; международной научно-практической конференции «Современные проблемы водохранилищ и их водосборов». - Пермь, 2009; всероссийской научно-технической конференции, посвященной 80-летию НГАСУ (Сибстрин). - Новосибирск, 2010; IX и X международных симпозиумах «Проблемы инженерного мерлотоведения». - Мирный, 2011 и Харбин, 2014; V российском форуме «Российским инновациям - российский капитал». -Н.Новгород, 2012; международном форуме по проблемам науки, техники и образования. - Москва, 2012; научных конгрессах международного научно-промышленного форума «Великие реки». - Н. Новгород, 2005, 2006, 2007, 2008, 2012; VII всероссийском гидрологическом съезде. - С. -Петербург, 2013.
Публикации. Материалы диссертации размещены в 65 публикациях, в том числе 28 статьях в научных журналах, рекомендуемых ВАК, текстах одной авторской и четырех коллективных монографий. Получены три свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников в 478 наименований, изложена на 467 страницах, включая 187 рисунков, 67 таблиц, 52 страницы приложений.
Количественная значимость процессов, участвующих в изменении морфометрических параметров водохранилищ
Водные ресурсы России, составляющие 11% мировых запасов пресной воды, обеспечивают 128669 рек длиной свыше 10 км, 2 млн озер [108], 2290 водохранилищ объемом более 1млн м3 каждое, 42 тыс. прудов [167; 370; 388; 415].
Среднемноголетний речной сток российских рек равен 4003 км3/год, а с учетом подземных вод, дренируемых речными системами - 4348 км3/год, в том числе 4113 км3/год стока формируется на территории страны и 235 км3/год - приток с сопредельных территорий [22]. Это больше, чем во многих странах мира, но распределение стока неравномерно по территории и не соответствует расселению по ней жителей и размещению производительных сил. Около 90 % стока выносится в Северный Ледовитый и Тихий океаны, а на бассейны внутренних Каспийского и Азовского морей, где проживает свыше 65 % населения России и сосредоточен ее основной промышленный и сельскохозяйственный потенциал, приходится менее 8 % стока.
Антропогенную нагрузку на водные ресурсы принято оценивать коэффициентом их использования, который рассчитывается как отношение водозабора в среднем за год к минимальной водности рек в лимитирующий зимний период. В бассейнах рек Волги, Терека, Томи, Тобола отмечалась нагрузка умеренная, в бассейне р. Кубани - высокая, в бассейнах рек Дона и Урала - очень высокая (рис. 1.1). Так, из бассейна р. Волги в последние годы для нужд населения и объектов экономики забиралось около 8 % стока. Самая острая обстановка с водо-обеспечением наблюдалась в створе Иваньковского гидроузла. Крупными водо-потребителями здесь являются г. Тверь, Конаковская ГРЭС и канал имени Москвы. За последние два десятилетия водозабор в средние по водности годы составлял 40 - 50 % стока, а в маловодный 1996 г. превысил 97 % стока [105].
В экономике России по состоянию на 2007 г. использовалось 232,2 км3/год воды, из которых 79,9 км3 покрывалось за счет отбора из природных источников, 144,3 км3 - за счет оборотных систем. Наибольший объем потребления воды (66 %) принадлежал производству и распределению электроэнергии, газа и воды [55]. Суммарный объем использования воды на все нужды страны к 2020 г. по разным оценкам составит 68 - 88 км3/год. Таким образом, антропогенная нагрузка на водные ресурсы России вырастет незначительно и, в основном, за счет развития энергетики. Однако, на отдельных участках рек Дона, Верхней Волги, Кубани, Терека, Урала, Тобола, Томи водохозяйственный баланс будет напряженным [58; 105].
На большинстве рек европейской части России и Сибири 2/3 объема годового стока проходит за 1 - 3 месяца половодья, а на реках юга страны за период весеннего паводка проходит до 90 - 95 % годового стока. Все российские реки характеризуются малым объемом зимнего стока, особенно реки северо-восточных районов, где наблюдается промерзание водосборов и даже самих рек, особенно малых. Например, на р. Зее в створе Зейского гидроузла максимальный наблюденный расход воды составил 14200 м3/с, а минимальный - 1,6 м3/с. В условиях столь изменчивого стока нельзя добиться устойчивого водоснабжения, выработки электроэнергии, судоходства, орошения. Необходимо создание водохранилищ для обеспечения потребностей в воде и устранения ее временного дефицита.
В этой связи показательна ситуация с водообеспечением в бассейне р. Волги. При среднегодовом стоке р. Волги без регулирования 246 км3, на меженние периоды приходится примерно 50 км3 (около 20 %). В условиях современного развития хозяйства и населенных пунктов водоотбор из поверхностных источников бассейна составляет более 40 км3/год. Можно утверждать, что при таких соотношениях стока и водоотбора, не будь аккумуляции стока в волжских водохранилищах в объеме 70 км3, невозможно было бы обеспечить потребности всех водопользователей. Оценивая ситуацию эмоционально, можно сказать, что без водохранилищ Волга в меженние периоды была бы почти что осушена. Таким образом, водохранилища практически стали неизбежностью для решения проблемы равномерного в течении года водообеспечения населения и промышленности [1; 14; 57].
В Российском фонде из всех учтенных водохранилищ (табл. 1.1) [167; 370; 388] основную по численности группу (1936) составляют небольшие - объемом 1 -10 млн м3, а 109 относятся к крупным - с объемом более 100 млн м3 каждое, которые построены , в основном, для целей энергетики [57]. Запасы воды в них обеспечивают 90 % регулировочной мощности энергосистем для покрытия пиков суточной нагрузки [71; 266], а также около 40 % мощности аварийного резерва. Так, полезный объем воды, содержащийся в водохранилищах Волжско-Камского каскада, эквивалентен 14,4 млрд кВт#ч электроэнергии [16; 53; 61]. Из водохранилищ, созданных для водоснабжения, обеспечиваются водой г. Москва и многие областные центры: Курган, Челябинск, Екатеринбург, Пенза, Владивосток, Магадан. Водохранилища позволили создать единую глубоководную систему в европейской части страны [63; 64;]. Из них орошается 4338,9 тыс. га земель [55; 58]. В волжских и камских водохранилищах вылавливается около 30 тыс. т/год рыб - в 10 раз больше, чем до сооружения каскада [14]. Многие водохранилища выполняют определяющую роль в предотвращении наводнений [15; 372]. На водохранилищах могут воспользоваться отдыхом 77 млн жителей страны [361]. Водохранилища в составе водохозяйственной отрасли позволяют реализовать стратегию государственной безопасности в направлении водо- и энергообеспечения [55; 56; 60].
В результате хозяйственной деятельности вода рек загрязняется и ее качество не соответствует тому, которое требуется в системах водоснабжения. В водохранилищах сточные воды подвергаются разбавлению и самоочищению. Так, предельная нагрузка сточными водами на водные объекты в бассейне р. Волги составляет около 20 км3/год чтобы обеспечить минимально необходимое 10-кратное их разбавление [57]. Из рис. 1.2 видно, что в 1990-е гг. объемы водоотведения уже достигали уровня, близкого к предельному. Таким образом водохранилища участвуют в решении задачи управления качеством воды [220].
В России под водохранилища ГЭС по состоянию на 1990 г. было отведено 47,2 тыс. км 2земель, т.е. 0,28 % площади страны [289; 410]. Это меньше, чем в других странах. Так, доля площади водохранилищ к общей площади страны составляет в США - 0,84 %, Канаде - 0,60 %, Испании - 0,42 % [293].
Во Всемирной Декларации 2012 г. «Роль водохранилищ в обеспечении устойчивого развития» [475] содержится призыв активнее развивать мировую водную инфраструктуру по всем ее направлениям, что необходимо для устойчивого функционирования и быстрого развития экономик всех стран. В соответствии с Энергетической стратегией [424] в 2010 г. Правительством Российской Федерации была одобрена «Генеральная схема размещения объектов электроэнергетики России до 2020 года с учетом перспективы до 2030 года», согласно которой достраиваются Богучанская, Светлинская, Усть-Среднеканская ГЭС, в 2012 г. начато строительство Нижнебурейской ГЭС, а на перспективу до 2030 г. намечено строительство еще ряда ГЭС: Мокской, Граматухинской, Кан-кунской, Нижнекурейской и др. [205; 408] - все в Сибири и на Северо-Востоке страны [111; 112]. Для гидроэлектростанций будут создаваться большие водохранилища на крупных реках. Имеется потребность в создании небольших водохранилищ различного назначения на малых реках, в том числе северной строительно-климатической зоны [186; 215; 404; 405].
Прогнозная модель переформирования обвально- осыпных абразионных берегов водохранилищ на базе модифицированного энергетического метода Е.Г. Качугина
Участок № 3 д. Черницы - д. Нагорное на правом берегу водохранилища между устьями р. Юг и р. Троца (рис. 2.23). Ближе к рекам берег представляет собой I надпойменную террасу, сложенную песчано-суглинистым материалом, прямолинейный участок берега около д. Колганово сложен плотными глинами пермского возраста с прослоями песка. Береговой обрыв имеет высоту до 15 м. На рис. 2.23 представлены профили берега в створах 9 и 22. В настоящее время на участке 3500 м обвально-осыпных абразионных и 500 м аккумулятивных берегов.
Участок № 4 (рис. 2.24) на правом берегу в границах от г. Чкаловска до д. Вашкино. Побережье представляет собой коренной склон долины р. Волги, сложенный песчано-глинистыми породами пермского возраста, прикрытыми толщей четвертичный отложений. Наблюдения восстановлены нами по створам 8, 9, 22. Створ 9 (см. рис. 2.24) расположен у входа в залив в 400 м от д. Вашкино рядом с берегоукреплением насосной станции. Высота берегового обрыва над НПУ 17,2 м, длина береговой отмели 104 м, отмель покрыта валунным камнем.
Обобщение и анализ результатов инструментальных наблюдений переформирования берегов. В табл. 2.8 сведены измеренные параметры абразионных берегов Горьковского водохранилища в исследованных створах по состоянию на 2010 г. На рис. 2.25 построены кривые отступания бровки береговых обрывов и нарастания ширины береговых отмелей за 1957-2010 гг.
К 2010 г. наибольшее смещение бровки берегового обрыва составило 69,1 м (в створе 4 ГМО). Наибольшей ширины достигли прибрежные отмели напротив невысоких песчаных берегов (132 м в створе 17). Наименьшую ширину получили отмели у берегов, сложенных глинистыми породами (67 м в створе 8). А в створе 22 на участке №4 в начале 1970 гг. берег был закреплен и переформирование его прекратилось. С ростом береговых отмелей отчетливо проявилось наступление III стадии развития, в которой абразионные берега Горьковского водохранилища начали пребывать с 1970-х гг. В 2009/2010 гг. скорость их переработки в исследованных створах составила от 0,2 до 1,0 м/год, в то время как за период 1957-2010 гг. средняя скорость была от 0,7 до 1,3 м/год. Уклоны береговых отмелей (0,01 -0,04 в песках и 0,01 - 0,07 в глинах) приблизились к волноустойчивым. a
Участок наблюдений №4 в границах г. Чкаловск - д. Вашкино: а - схема расположения створов; б - вид берегового откоса; в - профили берега в створе 9
Объемы аккумуляции в некоторых створах (15; 19; 9) стали превалировать над объемами абразии. Однако вдольбереговое движение наносов, как видно по коэффициентам аккумуляции, не позволяет сложиться динамическому равновесию, и абразия будет продолжаться.
Описанными долгосрочными инструментальными измерениями охвачены характерные участки перестройки абразионных берегов водохранилища. ФГУ «Дирекция Горьковского водохранилища» следит за смещением береговой бровки на застроенных территориях. Подвергающимися наибольшему разрушению названы берега в п. Юркино (0,75 м/год) и д. Фалино-Пестово (0,8 м/год) по левой стороне, в д. Юшково (1,4 м/год), г. Пучеже (0,5 м/год), д. Хмелеватово (2 м/год) по правой стороне водохранилища. Современная средняя скорость отступания абразионных берегов по водохранилищу в целом оценена значениями 0,19-0,3 м/год [62]. Эти величины близки данным проведенных измерений.
Постворовый прогноз переформирования абразионных берегов Горь-ковского водохранилища энергетическим методом до 2020 г. Значения сред-немноголетней энергии волн, поступающей к берегам водохранилища в наблюдательных створах, получены расчетом на основе сведений о ветре (Приложение 3). Они согласуются с данными прошлых лет [145], но более точны ввиду более обоснованного расчета ветроволновых характеристик. Прочие исходные данные -коэффициенты размываемости пород, верхние и нижние пределы размывающего действия волн, уклоны надводных береговых уступов и свалов отмелей, коэффициенты аккумуляции продуктов размыва - назначены по измеренным в 2009 -2010 гг. профилям берега (см. рис.2.21 -2.24, табл. 2.8). По программе «Берега» [317; 344] выполнены постворовые прогнозные расчеты берегопереформирования на срок до 2020 г. Расчеты велись от начальных береговых профилей 1957 г. на срок до 2010 г., для которого были получены данные натурных наблюдений (см.табл.2.8), по этим данным проверялась адекватность прогнозных моделей натурному процессу, затем выполнялись расчеты на срок до 2020 г. В табл.2.9 вместе с исходными данными помещены результаты расчетов для четырех береговых створов лево-и правобережья, показанных на рис. 2.26; в табл. 2.10 сведены результаты расчетов по всем наблюдательным створам, а кривые отступания бровки береговых обрывов на рис. 2.25 продлены до 2020 г.
Применение адаптивного метода для поучасткового прогноза абразии берегов Горьковского водохранилища. Методом, представленным в разделе 2.2.2, осуществлены экстраполяция данных наблюдений и прогнозирование переформирования берега Горьковского водохранилища на участке № 1 (см. рис. 2.21). В табл. 2.11 приведены натурные данные об отступании бровки берегового обрыва в пяти створах на этом участке, а на рис. 2.27 они представлены в графическом виде. Первые 2 года наиболее интенсивного берегообрушения после наполнения водохранилища (1957-1958 гг.) из рассмотрения исключены. По данным обучающих выборок за периоды 1959-1975 гг., 1959-1984 гг., 1959-2000 гг. и 1959-2010 гг.получены теоретические кривые, которые дали ошибки модельного приближения на отрезке времени до 2010 г. соответственно 5,3 %, 0,7 %, 0,9 % и 1,0 % (табл.2.12). Логично, что с увеличением длин выборок точность экстраполирования возросла. Для примера на рис. 2.28 графически выведен усредненный по пяти створам ряд данных наблюдений отступания бровки берегового обрыва из табл.2.11, равномерно табулированный на временном интервале от 1959 г. до 1984 г. На этом же рисунке показан набор стандартных трендов по обучающей выборке. Также приведена теоретическая кривая, полученная по данным обучающей выборки 1959-1984 гг. и давшая на отрезке времени до 2010 г. ошибку экстраполяции 0,7 %. В табл. 2.12 представлены ряды экстраполированных данных по нескольким обучающим выборкам на период с 2011 по 2030 гг. На основании этих данных получен результирующий прогноз с относительным отклонением, не превышающим 0,9 % в конце 10-летнего периода прогноза, соответствующего 2020 г., и 1,5 % в конце 20-летнего периода, соответствующего 2030 г.
Согласно прогнозу средняя величина отступания бровки берега на участке № 1 увеличится от 58,3 м в 2010 г. (см. табл.2.11) до (61,5 + 0,5) м к 2020 г. и до (64,2 + 0,9) м к 2030 г. (см. табл.2.12). Если средняя скорость отступания бровки берега на данном участке по наблюдениям в 2009/2010 г. была 0,37 м/год, то в 2019/2020 г. она ожидается 0,30 м/год, а в 2029/2030 г. - 0,25 м/год, обещая некоторое затухание абразии (см. табл.2.12).
Реализованные технологии съемок донного рельефа и зондирования мощности отложений в водохранилищах
Расчет был начат с июля месяца 1973 г. (t = 0), верифицирован по натурной изотерме -в — 0С на апрель 1978 г. (см. рис. 4.1) и продолжен до 2033 г. (t = 60 лет). Результаты отражены на рис. 4.1 и показали следующее: происходит замедляющееся со временем протаивание пород подводной части берега, так, в окрестности скважины 8 глубина протаивания к 15 июля составляла на 1993 г. - 20 м, на 2013 г. - 28,7 м, на 2033 г. прогнозируется 36 м; за зимние сезоны (к апрелю месяцу) осушенная часть берега под осевшим льдом и снегом ежегодно промерзает на глубину 0 - 2 м; очевидно, что переформирование температурного поля берега на этом не закончено и будет продолжаться столетия.
Наблюденные закономерности эволюции группы термоабразионных берегов водохранилищ за многолетний период эксплуатации и инфологические модели процессов термоабразии
В известную типизацию берегов водохранилищ (см. раздел 1.3.1), включена генетическая группа термоабразионных берегов, характерных для водохранилищ области вечной мерзлоты. Данная группа объединила типы мерзлых берегов, обособленные согласно ведущего берегового процесса: -термоабразионные берега, переформировывающиеся под совместным воздействием тепловой и механической (премущественно волновой) энергии воды; -термокарстовые берега, переформировывающиеся преимущественно вследствие оттаивания и тепловой осадки льдистых пород; -термоденудационные берега, переформировывающиеся вследствие оттаивания и разрушения надводного уступа.
На Усть-Хантайском водохранилище были выявлены термоабразионные берега с наличием уступов, ниш, оседания поверхности, термокарста [197]. Проектом Корейского водохранилища определены по его периметру 26 участков мерзлых берегов длиной от 500 до 2500 м, отнесенных к термоабразионному типу. Берега Вилюйского водохранилища, сложенные маломощными четвертичными отложениями, подстилаемыми коренными породами [163], получили развитие по термоабразионному, термоденудационному, термокарстовому типам [41]. На Усть-Среднеканском водохранилище изысканиями института Ленгидропроект выявлены абразионно-термоденудационные и термоабразионные типы берегов. Из данных табл. 4.2 можно видеть, что термоабразионные берега на больших действующих водохранилищах криолитозоны занимают от 6,8 % до 37,2 % протяженности береговой линии, а основную долю составляют другие, в том числе нейтральные берега.
В 2005 - 2006 гг. и в 2011 г. автором и при его участии были осуществлены экспедиции на водохранилища Усть-Хантайского, Вилюйского, Светлинского энергетических гидроузлов, малые водохранилища криолитозоны - Иреляхское,
Сытыканское, на р. Марха, на р. Ойуур-Юреге, на р. Уэся-Лиендокит и др., про ведено рекогносцировочное обследование участков берегов, выполнены измерения береговых профилей. Данные проведенных современных исследований [48; 49] и системный анализ опубликованных материалов прошлых лет [8; 10; 38; 93; 187; 196; 197; 216; 249; 250; 251; 314; 347; 379; 380; 381; 382; 421] позволили подтвердить и уточнить известные, а также выявить новые качественные закономерности процессов переформирования мерзлых берегов водохранилищ с учетом многолетней эксплуатации. Описание этих закономерностей сведено в настоящий раздел диссертации в качестве инфологической основы математического моделирования переформирований группы термоабразионных берегов водохранилищ криолитозоны [326].
Термоабразионные берега больших водохранилищ (рис.4.2) в своем развитии проходят те же стадии, что и абразионные берега (см. раздел 2.1). У термоабразионного берега (рис. 4.3), также как у абразионного, выделяются: надводный береговой уступ (обрыв), вертикальный в период интенсивной термоабразии; береговая отмель, имеющая абразионную и аккумулятивную части и располагающаяся в пределах размывающего действия волн; подводный откос (свал) отмели, подводный береговой склон (дно водохранилища). Весной оттаивание берега, как прави 189 ло, опережает размыв, поэтому абразионная часть береговой отмели к лету бывает покрыта слоем талого грунта, замедляющим ее дальнейшее оттаивание. Глубина талого слоя, вскрытого в начале сентября 2011 г. шурфом на абразионной части отмели берега Вилюйского водохранилища, показанного на рис. 4.1, составляла 0,8 м. Наиболее интенсивный теплообмен происходит в период высокого уровня водохранилища при волнении у подножия берегового уступа на контакте воды с обнаженными мерзлыми породами. Здесь вырабатывается термоабразионная ниша. Форма ниши обычно клиновидная (рис. 4.4). Углубление ниши приводит к обрушению нависающей над ней части берега под действием собственной тяжести. Обрушившиеся массивы мерзлого грунта оттаивают и размываются водой за 1-2 летних месяца, а в случае их большого объема, процесс может захватить до 1-2 летних сезонов. Из оттаявшего и размытого грунта формируется береговая отмель в условиях тепловой осадки ее основания. С увеличением льдонасыщенно-сти грунта берега понижается содержание минеральной составляющей в нем. Поэтому для образования аккумулятивной части отмели в криолитозоне требуется переработка большего объема грунта берега, чем вне этой зоны. Форма профиля отмели определяется теми же гидро- и литодинамическими процессами, что у водохранилищ за пределами криолитозоны. При этом закономерности формирования профиля отмели проще всего представить в условиях только поперечного транспорта наносов, когда направление движения волн нормально береговой линии. Такие модели адекватно отражают большинство практических ситуаций и широко используются при решении различных инженерных задач в береговой зоне [12].
Картина термоабразии, схожая с описанной для водохранилищ, издавна наблюдалась на берегах арктических морей (см. рис.4.4). И было замечено, что при температуре воды ниже 0С прибойный поток взаимодействует с грунтом берега только механически, выработки термоабразионных ниш не происходит [379]. Это обстоятельство подтверждает положение о том, что размыву мерзлого берега должно предшествовать его оттаивание (см. раздел 1.4.1).
Прогнозная энергетическая модель переформирования берегов термоабразионного типа
Метод расчета тепловой осадки ложа водохранилища. Предполагаются следующие допущения: осадка определяется для узлов конечно-разностной сетки на поверхности ложа; учитывается осадка оттаивающего грунта от действия веса воды водохранилища и собственного веса грунта без возможности его бокового расширения; расчет осадки на любой выбранный момент времени производится от момента полного заполнения водой чаши водохранилища; на расчетный момент времени консолидация грунта уже произошла; грунт основания водохранилища повторно не замерзает (поддерживается тенденция к увеличению глубины оттаивания во времени); расчетная область с боков ограничена вертикальными линиями, проходящими через точки уреза воды, сверху - поверхностью воды, снизу - границей оттаивания либо кровлей непросадочного при оттаивании грунта.
Область расчета, представляющая собой совокупность слоев талого грунта с вышележащей толщей воды, разбивается на участки в виде верти 2 Конечно-разностная сетка і Граница расчетной области кальных прямоугольных столбов (рис.5.5). Схема к определению границ участков-столбов показана на рис. 5.6. Боковые вертикальные границы столбов проходят через середины отрезков конечно-разностной сетки, соединяющих текущий узел (относящийся к ложу водохранилища) с ближайшим левым/правым узлом сетки. Верхней границей столба является поверхность воды водохранилища. Нижней границей столба является горизонтальный отрезок, проходящий через точку пересечения вертикальной оси столба с отрезком, соединяющим две точки: точку пересечения левой вертикальной границы с отрезком, соединяющим текущий узел (относящийся к ложу водохранилища) с ближайшим левым узлом сетки, принадлежащим ложу водохранилища; точку пересечения правой вертикальной границы с отрезком, соединяющим текущий узел (относящийся к ложу водохранилища) с ближайшим правым узлом сетки, принадлежащим ложу водохранилища. В результате разбиения получаются участки - столбы из воды и талого грунта в зоне, расположенной между урезами водохранилища. где п - число выделенных при расчете слоев грунта; Ath,t - коэффициент оттаивания, доли единицы; 8 - коэффициент сжимаемости /-го слоя оттаивающего грунта; кПа"1; rzg,i - вертикальное напряжение от собственного веса в середине /-го слоя грунта, кПа, определяемое для глубины zf, ht - толщина /-го слоя оттаивающего грунта, м. Коэффициенты оттаивания Ath и сжимаемости оттаивающего грунта 8 надлежит устанавливать, как правило, о
Схемы к расчету тепловой осадки грунта основания водохранилища: а- при расположении границы талой зоны выше кровли несжимаемого при оттаивании грунта; б - при расположении границы талой зоны ниже кровли несжимаемого при оттаивании грунта результатам полевых испытаний мерзлых грунтов.
Составляющая осадки sp в формуле (5.48) определяется по схеме линейно-деформируемого слоя конечной толщины по выражению: sp = PobfchSUtfifc iCfci-fci-i), м, (5.50) где ро -вертикальное давление от столба воды, кПа; Ъ - ширина участка-столба, м; кн - безразмерный коэффициент, определяемый по [323, табл. 7] в зависимости от отношения z/b, где z - расстояние от ложа водохранилища до нижней границы зоны оттаивания или кровли непросадочного при оттаивании грунта, м; 8г - коэффициент сжимаемости /-го слоя грунта, кПа"1; k j -коэффициент, определяемый по [323, табл. 7] в зависимости от отношения Zf/b, где Zi - расстояние от ложа водохранилища до середины /-го слоя грунта, м; ki и ki-i - коэффициенты, определяемые по [323, табл. 7] в зависимости от отношений lib (l/b \0), ciilb и щ.\1Ь, где щ и 2г.і-расстояния от ложа водохранилища соответственно до подошвы и кровли /-го слоя грунта, м:
Алгоритм и программа численного расчета температурного режима основания и осадки ложа водохранилища. Для реализации описанных выше численной модели температурного режима основания и метода расчета тепловой осадки ложа водохранилища нами разработан программный комплекс (ПК) под названием BottomSettlement (Оседание ложа) [318], включающий программу BS-Calc и подпрограмму SubHeat, составленные на языке Visual Basic. Файловая система программы BS-Calc представлена файлами входных данных . DAN и .DAT и выходных данных - .THR, .SPD. Файл с расширением .DAT (в нашей программе Anadir_2-2_full.DAT) содержит информацию о геометрии расчетного сечения, характеристиках грунтов, среднемесячных температурах воздуха и воды. Загрузка этого файла осуществляется при старте программы. Файлы с расширением .THR содержат результирующую информацию о температурном состоянии основания и осадке ложа водохранилища на указанные в названии файла год и месяц. Основной модуль программы BS-Calc ведет все расчеты. Для вычисления температуры и льдистости грунта к нему подключается подпрограмма Sub Heat. ПК снабжен пользовательским интерфейсом Windows и возможностью визуализации результатов расчетов.