Гидротехнические мероприятия по пропуску зимних расходов воды в нижнем течении Сырдарьи Часть 2

Осреднение отметок водной поверхности с 1935 по 2000 гг., показывает, что в районе Томенарык происходят попеременно процессы заиления и размыва в зависимости от водности периода и изменения гидрологического режима стока.

В условно-естественный период (1935-56 гг.) происходит постепенное поднятие русла, что связано с естественными аккумулятивными процессами, а в последующем за ним отрезке (1957-71 гг.) наблюдается опускание и поднятие отметок водной поверхности примерно на 0,5м.

Рисунок 1 – Изменение отметок водной поверхности в г/п Томенарык при расходах 300 м3/с (1), 500 м3/с (2) и 700 м3/с (3)

В период затяжного маловодья дно реки поднимается, но незначительно. Очередное резкое опускание дна реки происходит в современный период, что можно объяснить влиянием увеличенного зимнего расхода и интенсификации подледного промыва русла.

При малом и среднем расходе наблюдается некоторое опускание уровня, что является следствием переформирования русла в период межени, когда уширяется живое сечение, разглаживая плесы и перекаты. При большом расходе поток выходит в пойму, пропускная способность которой снижена занесенным песком и зарослями и приводит к резкому подъему уровня воды. Поэтому в районе гидропоста Томенарык преобладает процесс заиления.

Такие же процессы размыва и заиления происходят и на нижних участках реки. В районе г/п Кызылорда наблюдается подъем уровня воды при одинаковом расходе воды и он сохраняется до г/п Жосалы и ниже его.

Таким образом, анализ процессов размыва и заиления русла в низовье р. Сырдарья с помощью статистической обработки данных уровня водной поверхности и расхода воды показывает, что в целом в русле реки преобладает процесс заиления русла. В настоящее время интенсификация процесса заиления русла наблюдается ниже Кызылординского гидроузла.

В третей главе «Методика определения зимнего коэффициента расхода воды» приводится результаты изучения изменения уровненного режима реки в зимний период и методика определения зимнего коэффициента расхода.

Изменение уровненного режима реки в зимний период зависит многих факторов, главными из них являются режим стока и характер ледовых явлений. При этом относительное изменение стока в течение зимнего периода для большинства рек с постоянным ледяным покровом происходит постепенным понижением расходов от начала ледостава до начала ледохода.

На основе исследований установлено, что в условиях Сырдарьи на режим уровней оказывает влияние с одной стороны степень шероховатости нижней поверхности ледяного покрова и с другой стороны стеснение живого сечения погруженным в воду льдом. Установлено, что степень влияния каждого из этих факторов зависит от характера процесса установления ледяного покрова и абсолютных размеров потока.

Обычно на практике зимние измерения расходов воды в 4-5 раз меньше измерений летних расходов, связано это с трудностью проведения их в зимних условиях, что связано сложными явлениями, как зажоры или заторы, донный или внутриводный лед, разнородная шероховатость нижней части льда и др., привело к разработке следующих методов подсчета зимнего стока.

1) подсчет зимних расходов по наблюдениям на участках рек;

2) подсчет зимних расходов по летней кривой расходов с поправкой в зимние уровни воды;

3) подсчет зимних расходов по летней кривой с введением переходного коэффициента;

4) подсчет зимних расходов по зависимостям зимних и летних расходов, отнесенных к одному уровню воды.

Подсчет зимних расходов по наблюдениям на участках реки. Способ широко распространен, находит частое применение и базируется на наличии гидрометрических наблюдений на участках реки, что позволяет в некоторой степени пользоваться кривой расходов открытого русла. Недостаток метода в том, что постоянная кривая зависимости расходов от горизонтов воды не учитывает ни изменения шероховатости нижней поверхности льда в течение рассматриваемого периода, ни влияния нарастания толщины ледяного покрова. Получение более достоверных результатов в этом случае зависит от того, как точно будет производиться дифференцированное построение зависимости для отдельных характерных зимних периодов.

В таких случаях рекомендуется при построении зимних кривых расходов выделять на графике расходы четырех периодов: расходы при неустойчивом ледяном покрове, расходы заторных периодов, расходы при очень неровной нижней поверхности льда и расходы осенних и весенних переходных периодов, что является сложной задачей.

Проверка степени применимости этого метода показала следующее: при подсчете стока Сырдарьи у гидропоста Жосалы все расходы делились на три группы – заторные или зажорные (расходы при нарушенном или очень тонком льде), нормальные (при установившемся ледяном покрове) подсчета зимних расходов и летней кривой. Результаты подсчета с введением переходных коэффициентов К приведены на рисунке 2.

Подсчет стока по зимним кривым показал о применимости этого метода для больших рек, где вследствие значительных глубин изменение толщины ледяного покрова уже не оказывает существенного влияния на пропускную способность русла и то, лишь для периодов с относительно постоянной шероховатостью нижней поверхности льда.

1 – кривая для открытого русла; 2 – кривая для русла под льдом

Рисунок 2 – Кривые расходов р. Сырдарья у Жосалы

Применение постоянного хронологического графика коэффициентов К. Данный способ является также одним из наиболее распространенных способов подсчета зимнего стока.

Для дат с измеренными расходами подсчитываются значения К, строится совмещенный осредненный для всех лет хронологический график по которому определяется величина коэффициента К для каждого дня ледоставного периода. Хронологические графики К строятся как календарные, так и в виде зависимости , где Т – время от начала ледостава в днях.

На рисунке 3 приведено календарное распределение коэффициентов К для р. Сырдарья у Казалинска. На участке Жосалы–Казалинск фактически наблюдается сплошной ледостав. График показывает весьма большой разброс точек, что исключает возможность надежного определения коэффициента К.

Рисунок 3 – Совмещенный график коэффициентов К для дат измеренных расходов для р. Сырдарья у Казалинска

Нужно отметить, что построение совмещенного календарного графика коэффициентов К, ввиду различных для каждого года дат начала и конца ледостава приводят зачастую к искаженному представлению о характере изменения К.

Определение коэффициентов К по зависимости . Применение зависимости по существу идентично применению зимних кривых расходов и поэтому имеет все те же недостатки. Однако, эти зависимости более наглядны и удобны для анализа гидравлических условий зимнего потока.

В качёстве примера характера связи на рисунке 4 приведена соответствующая зависимость для р. Сырдарья у Кызылорды. Как видно из чертежа, разброс точек этой зависимости весьма велик, в особенности для первых ледоставных месяцев.

Рисунок 4 – График связи коэффициента К и горизонтов воды для р. Сырдарья у Кызылорды

Гидравлические методы определения коэффициента К. Гидравлические методы определения коэффициентов К представляют интерес, как попытки теоретического обоснования подсчета расходов воды при наличии ледяного покрова. Ниже приводим сводку более или менее известных формул данного типа, причем для удобства сопоставления их приняты единые условные обозначения несколько отличные от примененных авторами этих формул.

Не останавливаясь на рассмотрении строгости математических обоснований приведенных формул, следует отметить, что ввиду отсутствия способов практического определения соотношений и , колеблющихся в весьма больших пределах применение гидравлических методов подсчета коэффициента К практически полностью исключается

Гидрометеорологические методы определения коэффициента К. Здесь следует отметить метод Д. Л. Соколовского и В. К. Стабрикова.

Анализируя материалы гидрометрических наблюдений авторы метода пришли к выводу, что значение коэффициента К для каждой зимы в основном зависит от характера замерзания реки и наличия оттепелей. Коэффициент К понижается при нарушенном осеннем замерзании и высоком подъеме горизонтов в начальный ледоставный период и повышается при паводках (оттепелях). Исходя из этого и принимая значение К постоянным для данной зимы, они установили следующий общий вид зависимости:

, (1)

где – температура воздуха средняя за ноябрь и декабрь; – в первом варианте – отклонение уровня первых 10 дней ледостава от среднего многолетнего и во втором варианте – отклонение среднего уровня за период от минимума до максимума уровня в период начала ледостава от среднего многолетнего за этот период.

Нами проведен подсчет коэффициента К по указанной зависимости и уточнен его численные значения:

(2)

Применимости формулы (2) проверены в условиях нижнего течения Сырдарьи и для гидропостов Кызылорда, Жосалы и Казалинск были определены параметры а, в, с и после этого она приняла следующий вид:

По первому варианту

для Кызылорды ; (3)

для Казалинска . (4)

По второму варианту

для Кызылорды ; (5)

для Казалинска . (6)

Применение формул второго варианта, как показали поверочные подсчеты авторов метода, дает меньший процент ошибки. После подсчета по этим формулам средне-зимнего значения К, ход коэффициентов в течение зимы устанавливался в зависимости от характера зимнего режима данного года.

Таким образом, принятая формулах прямая зависимость коэффициента К от температур воздуха ноября-декабря не•отражает полностью всех физических сторон явления. С другой стороны, величина обуславливается не только величиной подпора в начале ледостава, а отражает также некоторое увеличение расходов в первые дни ледостава и зависит от водности года.

В четвертой главе «Мероприятия по безопасному пропуску зимних расходов и ледохода» рассмотрены мероприятия по безопасному пропуску зимних расходов и ледохода. Зимние проблемы на реке Сырдарье, связанные с высоким уровненным режимом и опасностью выхода воды из русла, обусловлены природными и антропогенными факторами. Обычно многоводью предшествует затяжное маловодье, в период которого происходит занесение русла и оно утрачивает свою пропускную способность (природный фактор), в то же время обустраивается речная полоса, строятся защитные дамбы и осваивается пойма реки в хозяйственных целях (антропогенный фактор).

Основная проблема по пропуску ледохода создана в районе городов Кызылорда и Казалинск, так как здесь одинаково действуют вышеотмеченные природные и антропогенные факторы, и объясняется наличием ряда факторов, в том числе сложным изгибом возле Кызылорды, напротив бывшего ЦКЗ и возле пос. Александровск, песчаные русловые отложения от Кызылординского гидроузла до створа Айтек.

Скопление льда при ледоходе рекомендуется ликвидировать следующими путями:

1. Путем принятия предупредительных мер по управлению процессом образования льда и его стоком;

2. Путем непосредственной ликвидации с образовавшимися заторами;

3. Путем заблаговременного прогноза места образования затора и его мощности и принятия предупредительных мер.

Эти пути борьбы могут применяться как каждый в отдельности, так и в любом сочетании, в зависимости от обстоятельств.

Прогнозирование максимального заторного уровня возможно, если местоположение затора из года в год постоянно. Главными факторами здесь являются степень суровости зимы и характер установления ледостава.

Предупредительные мероприятия являются наиболее эффективным и надежным способом, для применения этих способов заранее должно быть известно место или примерный район образования затора.

Однократные предупредительные мероприятия по борьбе с заторами. Наиболее эффективным из предупредительных мероприятий, способных не допустить образования затора на реке, является установление надлежащего режима эксплуатации гидроузлов в зимний период. В работе рассмотрены способы маневрирования затворами Кызылординского и Айтекского гидроузлов для безопасного пропуска зимних расходов.

При маневрировании затворами особое внимание следует обратить нижнему бьефу, где нельзя допускать подъема уровня свыше 1 м/сутки, при этом расход воды должен увеличиваться плавно.

Многократные предупредительные мероприятия по борьбе с заторами. Основой многократных предупредительных мероприятий по борьбе с заторами является регулирование стока льда посредством воздействия на процесс вскрытия реки, а именно: ослабление разрушения ледяного покрова с целью ускорения вскрытия на одном участке, усиление ледяного покрова и задержание вскрытия на другом.

Для ускорения вскрытия рекомендованы взрывы. Расположение зарядов в плане учитывает течения на участке, расположение островов, поворотов русла, отмелей и т. п. Главным критерием является образование продольных полос в момент подвижки ледяного покрова.

На реке Сырдарьи количество льда, движущегося вниз по течению реки, не только не уменьшается, но в большинстве случаев растет. Кроме того, поступающая с верховьев паводковая волна и лед встречают на своем пути ненарушенный ледяной покров, что неизбежно ведет к образованию заторов.

Поэтому разработан вопрос о ликвидации затора в данном пункте, где он приносит значительный ущерб, и перенесении его в другой пункт, где образование затора не наносит ущерба народному хозяйству.

Ликвидация образовавшихся заторов. Предсказать место образования руслового затора невозможно, поэтому особое внимание должно уделяться мерам защиты от наводнений и ликвидации затора с целью предотвращения или уменьшения наводнения. Задача состоит в ускорении прорыва затора, так как резкое снижение уровня может произойти только в этом случае.

Ликвидация уже образовавшихся заторов нужно вести комплексно, сочетая взрывы и регулирования уровня гидросооружений.

Затор льда в естественном состоянии разрушается, в основном, под влиянием гидростатического давления воды, скапливающейся выше затора, тепловых факторов и влекущего течения потока, проходящего через затор, совместное действие которых выносит отдельные льдины из затора, уменьшает сопротивление тела затора потоку, что, в свою очередь, увеличивает пропускную способность и снижает подпорный горизонт воды.

Мероприятия по увеличению пропускной способности реки. Участок реки от Кызылорды до Айтека длиной 47 км представляет определенные трудности при прохождении паводка и ледохода. Река в плане довольно извилистая с коэффициентом извилистости больше двух. На участке от Кызылорды до пос. Александровск имеются сложные изгибы.

Поперечное сечение и плановое очертание русла на участке представлены с участками переката и плеса. К числу искусственных сооружений относятся дамбы обвалования, набережная вдоль реки на границе г. Кызылорда, прокоп, соединяющий излучины у мемориала Коркыт Ата (рисунок 5).

Речная полоса на прямолинейном участке дамбы стеснена до 80 м (выше и ниже её ширина более 100 м), что приводит к заторообразованию.

На набережной возведен бетонный пирс поперек русла длиной около 60 м, который является потенциальным местом заторообразования (рисунок 5).

Впоследствии для увеличения пропускной способности русла в створе пирса был устроен спрямляющий прокоп, который рассчитан на саморазмыв.

Начало прокопа расположено несколько ниже от пирса и там устанавливается «сжатое сечение» потока, и уровень воды у правого берега резко снизится. Следовательно, в голову прокопа вода, шуга и льдины не пойдут и расчет на саморазмыв не оправдается. Отметки дна спрямляющего прокопа находится гораздо выше дна реки; чтобы произошел саморазмыв нужно механическое расширение и углубление его и перенести начало прокопа на 100-120 м выше по течению, как это указано на рисунке 5.