Особенности турбулентного обмена вод в Камском и Воткинском водохранилищах и методы его оценки

УДК 556.552

Особенности турбулентного обмена вод в Камском и Воткинском

водохранилищах и методы его оценки

А.Б.Китаев, Т.П.Девяткова

Пермский государственный университет

В настоящее время принято деление водообмена на внешний и внутренний. Внешний водообмен определяется компонентами водного баланса и под ним понимается замена вод, находящихся в водоеме, новыми водами, поступившими извне. При внутреннем водообмене происходит перемещение и смешение водных масс в самом водоеме. Он может быть связан как с внешним водообменом и водным балансом, так и с перемешиванием -горизонтальным и вертикальным турбулентным обменом. В первом случае фактором, определяющим водообмен, являются стоковые течения, во втором случае турбулентное перемешивание происходит при волнах и течениях (как стоковых, так и ветровых).

Между интенсивностью внешнего и внутреннего водообмена водоема имеется тесная взаимосвязь, поскольку обмен вод между районами, участками или слоями водной толщи зависит от горизонтальной составляющей внешнего водообмена, проявляющейся в водоеме в виде стокового течения. С интенсификацией этой составляющей увеличивается внутренний водообмен - проточность и турбулентное перемешивание водной массы. И наоборот, в тех водоемах, где вертикальная составляющая внешнего водообмена превалирует над горизонтальной, роль стокового течения ослабевает, возрастает значение конвекции, интенсивность которой непосредственно связана с вертикальной составляющей внешнего тепло - и водообмена.

Представление об интенсивности внутреннего водообмена, связанного с перемешиванием вод, дают значения коэффициентов горизонтального и вертикального турбулентного обмена (А г/см-с). Для оценки коэффициентов горизонтального и вертикального трубулентного обмена в практике наиболее часто используется подход, предложенный В.А.Знаменским [2].

Коэффициенты турбулентного обмена вод Камского и Воткинского водохранилищ определены по уравнениям, предложенным В.А.Знамениским [3,4], учитывающим морфометрические, гидравлические и энергетические характеристики водоемов (формулы 13):

Ах = 20,2 V ( Н )0,375 • Яе0,5 = 20,2 V (—)0,5 • (1-Яе) ( А Бг

Ау= 0,845 V

(Н ),

Н Яе0

= 2,82 V (

( Н )1,13

(А) Яе I1

Аг = 0,845 V = 2,82 V ( —) •

Яе

Бг Бг

0,5

В Яе) I

1,5

Н Бг Бг

0,5

В первом варианте используются: средняя глубина (Н), ширина (В), средняя высота выступов шероховатости дна (А) и числа Рейнольдса (Яе); во втором - числа Рейнольдса и Фруда (Бг), уклон водной поверхности (I), глубина и ширина в створе. Для камских

© А.Б. Китаев, Т.П. Девяткова,2006

водохранилищ использовался, в основном, второй вариант в связи с трудностью определения величины (А). Расчет выполнен для восьми основных створов Камского и пяти створов Воткинского водохранилищ за характерные по водности годы (табл. 1 - 4). Затруднение вызвало определение уклонов на нижних участках водохранилищ. Средний за расчетный период времени уклон водной поверхности принят равным среднегодовому уклону водохранилища (для Камского - от Пожвы до КамГЭС, для Воткинского - от Оханска до Галево). Полученные результаты показали, что во все периоды преобладает продольный обмен, и лишь в весенний период при наполнении водохранилищ вертикальная и поперечная составляющие могут превосходить по размерам продольную. Однако турбулентный обмен на отдельных участках резко различается, и по характеру пространственного распределения турбулентной активности на Камском водохранилище можно четко выделить три района:

• 1-й - от выклинивания подпора до озеровидного расширения;

• 2-й занимает центральную, широкую часть водоема;

• 3-й простирается от центральной части до плотины Камской ГЭС.

Первый район отличается уменьшением гидродинамической активности к концу участка (см.табл. 1-2). Минимальные значения вертикальной составляющей отмечаются зимой и летом (менее 1 г/см-с). Максимальные величины продольной составляющей имеют место в период зимней сработки водоема и в период его весеннего наполнения (1300 г/см-с). Наибольшая величина поперечного обмена в период наполнения водохранилища - до 2000 г/см-с.

Для второго района характерно возрастание турбулентного обмена во всех направлениях, особенно в поперечном (до 9000 г/см-с), что связано с возникновением активных циркуляционных зон при резком расширении водоема и с поступлением вод значительных притоков (рек Косьвы, Иньвы, Обвы). Продольная составляющая в этом районе незначительна (200-300 г/см-с), что согласуется с минимальными в этом районе скоростями течения, показателями внешнего водообмена и проточности.

В третьем районе (с постоянным подпором) величины коэффициентов турбулентного обмена уменьшаются по сравнению с их величиной в центральной части водоема, но постепенно увеличиваются по длине района к плотине Камской ГЭС: Ах - 150-300 г/см-с, Ау - 100-150 г/см-с, А2 - 0,5-10 г/см-с.

На Воткинском водохранилище выделяются два района:

• верхний - узкий, с более простой морфометрией и с уклоном водной поверхности;

• нижний - несколько расширенный, с заливами и с почти отсутствующим уклоном водной поверхности.

Для первого района (см. табл. 3 ,4) характерно преобладающее значение продольной составляющей турбулентного обмена, постепенно уменьшающейся к концу района. В нижнем отмечено возрастание вертикального и поперечного обмена, усиливающегося к плотине Воткинской ГЭС. Таким образом, распределение продольных коэффициентов турбулентного обмена аналогично распределению показателей внешнего водообмена и проточности [5], что связано с особенностями водного режима и морфометрии районов водохранилищ. Поперечный обмен обусловлен в первую очередь морфометрией водоемов, поэтому более значителен на Камском водохранилище, имеющем более сложную морфометрическую структуру. Вертикальный обмен по величине незначителен. Однако необходимо заметить, что при учете ветра доля вертикального турбулентного обмена должна существенно возрасти.

Для оценки роли ветрового перемешивания рассчитаны коэффициенты турбулентного обмена для безледоставного периода методом С.В.Доброклонского [1]. Его расчетная формула выглядит следующим образом:

пх р Ь2 4ж

Ах = ----е- — ,

18 т

где х - постоянная Кармана, принятая равной 0,4; Ь - высота волны, т - период волны, ъ -глубина водоема, X - длина волны.

Створ Показатель обмена М е с я ц

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Тюлькино Ае 3,41 10,3 17,7 10,9 0,10 0,15 0,03 0,08 0,04 0,14 0,98 1,37

Ау 430 1300 2270 1320 11,0 17,0 3,00 8,84 5,00 15,0 105 152

Ах 484 614 634 852 1105 795 204 336 211 427 713 404

Березники Ае 1,50 3,24 1,24 1,11 0,14 0,41 0,23 0,32 0,22 0,46 2,69 3,44

Ау 800 300 105 97,0 57,0 233 115 169 115 241 1420 1680

Ах 193 491 408 533 556 446 150 182 148 242 400 248

Быстрая Ае 0,23 0,47 0,31 0,67 0,02 0,10 0,23 0,07 0,10 0,09 0,16 0,27

Ау 43,0 78,0 55,0 113,0 9,00 55,0 122,0 39,0 56,0 51,0 87,0 127,0

Ах 142 173 160 293 331 268 137 109 122 133 140 120

Пожва Ае 0,15 0,10 0,07 0,52 0,03 0,25 0,42 0,18 0,03 0,25 0,42 0,64

Ау 56,0 35,0 16,0 133 22,0 119 200 85,0 12,0 120 200 326

Ах 94,0 87,0 102 155 282 370 191 153 171 187 191 160

Чермоз Ае 27,9 6,58 4,86 4,86 0,35 1,99 20,7 20,7 21,9 7,33 20,7 16,9

Ау 21300 8500 6170 6200 412 2130 22100 22100 22400 7800 22300 18600

Ах 354 148 122 122 191 268 285 285 285 285 285 271

Слудка Ае 1,59 0,92 0,77 0,28 0,05 0,32 4,23 4,23 4,23 4,23 4,23 3,82

Ау 1240 850 660 240 36,0 173 2300 2300 2300 2300 2300 2170

Ах 134 104 89,0 89,0 147 273 255 255 255 255 255 243

Створ Показатель обмена М е с я ц

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Добрянка Ае 0,06 0,06 0,07 0,11 0,01 0,05 0,40 0,37 0,40 0,23 0,36 0,38

Ау 26,0 23,0 15,0 23,0 2,00 13,0 112 102 112 63,0 101 111

Ах 90,0 63,0 105 100 112 202 205 65,0 205 57,0 194 198

КамГЭС Ае 9,13 1,32 1,17 2,92 0,07 0,21 3,29 2,54 1,93 1,24 2,54 1,88

Ау 2150 340 316 700 16,0 43,0 651 503 382 246 508 376

Ах 223 212 186 203 271 353 328 383 279 101 383 275

Створ Показатель обмена М е с я ц

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Тюлькино Ае 1,86 6,35 12,3 2,04 1,21 0,03 0,04 0,02 0,03 0,12 0,09 0,35

Ау 250 888 1650 227 23,0 4,00 4,00 2,30 3,00 3,16 10,0 43,0

Ах 339 465 638 1110 761 205 211 177 137 255 285 268

Березники Ае 3,31 9,99 3,23 0,27 0,41 0,22 0,27 0,22 017 0,85 0,51 1,30

Ау 1560 1060 300 138 186 111 135 100 76,0 361 215 531

Ах 204 569 501 302 420 148 142 135 106 195 219 206

Быстрая Ае 0,18 0,24 0,23 0,01 0,11 0,10 0,10 0,10 0,01 0,16 0,10 0,21

Ау 58,0 43,0 40,0 1,00 43,0 55,0 55,0 52,0 2,40 61,0 38,0 66,0

Ах 103 139 145 116 284 108 108 95,0 34,0 136 133 99,0

Пожва Ае 0,14 0,09 0,05 0,01 0,15 0,20 0,30 0,30 0,01 0,18 0,16 0,12

Ау 99,0 35,0 16,0 0,50 83,0 97,0 142 137 5,20 94,0 80,0 86,0

Ах 62,0 74,0 79,0 67,0 254 137 152 133 40,0 123 136 63,0

Чермоз Ае 1,13 0,71 0,56 0,07 0,38 1,88 1,88 1,69 1,51 1,52 1,52 1,39

Ау 1340 902 722 91,0 406 1990 1970 1830 1720 1690 1700 1550

Ах 74,0 64,0 57,0 67,0 122 95,0 95,0 90,0 86,0 86,0 86,0 82,0

Слудка Ае 0,15 0,12 0,08 0,09 0,07 0,42 0,41 0,39 0,37 0,23 0,23 0,2

Ау 109 103 74,0 77,0 43,0 232 228 220 217 138 137 127

Ах 94,0 77,0 32,0 76,0 115 128 126 123 120 116 116 109

Створ Показатель обмена М е с я ц

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Добрянка Ае 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,04 0,04 0,07 0,06 0,06 0,06 0,02

Ау 5,00 2,00 3,00 1,00 3,00 11,0 11,0 19,0 19,0 19,0 19,0 8,40

Ах 43,0 47,0 38,0 36,0 82,0 102 101 110 71,0 70,0 70,0 80,0

КамГЭС Ае 0,16 0,14 0,12 0,04 0,07 0,19 0,19 0,19 0,18 0,18 0,17 0,17

Ау 36,0 34,0 33,0 10,0 14,0 39,0 38,0 38,0 37,0 36,0 35,0 36,0

Ах 101 96,0 88,0 106 175 167 165 165 162 161 152 160

Створ Показатель обмена М е с я ц

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Пермь Ае 0,07 0,03 0,01 0,01 0,18 0,13 0,03 0,03 0,02 0,03 0,05 0,06

Ау 20,0 9,00 6,00 3,00 41,0 30,0 7,00 9,00 6,00 8,00 13,0 17,0

Ах 220 133 105 95,0 793 594 158 198 164 193 236 233

Оханск Ае 0,75 1,46 3,03 2,60 0,42 0,55 0,58 0,69 0,51 1,21 1,04 1,12

Ау 237 288 481 361 97,0 131 133 158 117 241 246 264

Ах 439 475 618 703 973 835 360 448 383 543 473 473

Жулановка Ае 1,09 0,74 0,41 0,36 0,04 0,10 1,13 0,71 1,14 0,72 0,72 1,02

Ау 204 151 93,0 82,0 7,00 18,0 207 131 207 130 131 183

Ах 335 258 209 205 280 365 341 338 343 338 338 369

Калиновка Ае 10,6 10,9 10,1 6,70 0,53 0,97 13,5 10,8 10,7 10,7 10,6 10,5

Ау 2120 2145 2050 1390 109 195 2680 2150 2150 2150 2140 2160

Ах 614 553 467 498 529 561 616 620 616 616 614 611

Воткинская ГЭС Ае 6,80 5,70 5,10 9,60 0,82 1,46 14,8 14,5 14,8 13,7 14,5 14,5

Ау 5020 4500 3390 6710 567 1070 10400 10400 10500 10400 10600 10500

Ах 560 315 285 264 301 318 327 323 327 315 232 323

Створ Показатель обмена М е с я ц

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Пермь Ае 0,05 0,04 0,01 0,01 0,01 0,02 0,02 0,02 0,02 0,03 0,02 0,04

Ау 13,0 14,0 6,00 0,40 4,00 6,00 6,00 6,00 4,50 7,00 5,00 12,0

Ах 163 170 103 170 157 164 164 152 127 141 116 189

Оханск Ае 0,95 2,70 3,42 0,15 0,88 0,59 0,54 0,60 0,49 0,80 0,77 1,54

Ау 315 525 564 24,0 183 133 122 127 109 181 162 317

Ах 441 551 625 758 467 381 393 347 327 364 361 543

Жулановка Ае 0,74 0,36 0,36 0,28 0,21 0,49 0,49 0,50 0,60 0,57 0,56 0,44

Ау 138 71,0 79,0 39,0 41,0 88,0 89,0 88,0 110 109 107 85,0

Ах 257 234 228 383 251 275 275 275 281 275 271 260

Калиновка Ае 5,24 4,40 4,00 1,40 4,00 5,20 5,30 5,20 5,50 4,40 5,20 4,40

Ау 1030 859 823 289 823 1050 1050 1060 1050 893 1020 873

Ах 536 417 400 304 469 536 537 532 547 419 532 417

Воткинская ГЭС Ае 5,50 5,40 5,20 2,10 5,20 5,64 5,60 5,90 5,64 5,64 5,80 5,64

Ау 3960 3770 3520 1330 3900 4110 4130 4150 4120 3990 3940 3860

Ах 252 249 246 239 246 319 255 327 255 255 323 255

Расчетами выявлено, что воздействие волнения на водную поверхность исследуемых водоемов распространяется на глубину 4-8 м, а в некоторых случаях - практически до дна, достигая наибольшего развития в центральной части Камского и приплотиной части Боткинского водохранилища (на поверхности соответственно 220 и 280 г/см-с). Следует заметить, что различия в абсолютных величинах коэффициентов вертикального турбулентного обмена, вычисленных методами Б.А.Знаменского и С.Б.Доброклонского, обусловлены их различной физической сущностью, поэтому их соотношение позволяет оценить роль ветрового перемешивания весьма ориентировочно.

Для более полного и всестороннего анализа процессов водообмена внутри искусственных водоемов следует использовать различные методы в комплексе.

Библиографический список

1. Доброклонский С.В. Турбулентная вязкость в поверхностном слое моря и волнение / С.Б.Доброклонский // Доклады АН СССР. 1947. Т.5. №7.

2. Знаменский В.А. Гидравлические сопротивления и турбулентный обмен при взаимодействии транзитного потока с плановыми водоворотами в водоемах / Б.А. Знаменский // Труды ГГИ. 1969. Вып.173. С.86-99.

3. Знаменский В. А. Блияние гидролого-динамических факторов на изменение содержания химических веществ в водохранилище / Б.А. Знаменский // Там же. 1977. Бып.246. С.58-77.

4. Знаменский В.А. Гидрологические процессы и их роль в формировании качества воды /Б.А. Знаменский. Л.:Гидрометеоиздат, 1981. 247с.

5. 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. 22с.