Научный журнал

Научное обозрение. Науки о Земле

Введение. В 2016 г. была завершена разработка и опубликованы очередные Правила использования водных ресурсов (ПИВР) камских водохранилищ [1] . В этот документ вошли материалы с момента начала функционирования Камского и Воткинского гидроузлов и по 2014 г. Однако в связи с постоянным изменением морфометрических показателей водоемов, а также климатическими подвижками на изучаемых водосборах этот документ должен, несомненно, дополняться и уточняться. Этому вопросу и посвящено настоящее исследование. Объектом исследования является Воткинское водохранилище. Цель работы – оценка обмена вод в водоеме по материалам многолетних наблюдений.

Материалы и методы. Исходными материалами для такого дополнения послужили величины среднесуточных расходов воды притекающих с водосбора исследуемого водного объекта и сбрасываемых через плотину гидроэлектростанции. Поскольку объектом изучения явилось Воткинское водохранилище, то был использован материал всего периода эксплуатации водоема (1965-2022 гг.). Материалы 1962-1964 гг. не были рассмотрены, так как в это время происходило промежуточное наполнение водоема. При анализе временного распределения стока использована стандартная методика, содержание которой представлено в СП 33-101-2003 [2]. Для водохранилища была определена расчетная обеспеченность среди ранжированных рядов значений объемов стока в программе Excel. Единственным упрощением было слияние в одну группу очень многоводных и многоводных лет. Для анализа внутригодового распределения стока использовалась схема деления стока по сезонам: весна IV-VI, лето-осень VII-X, зима XI-III[3].

Результаты и их обсуждение. При характеристике обмена вод в исследуемом водном объекте, т.е. Воткинском водохранилище нами использован не весь объем вод, а исключительно его полезная составляющая. Такой подход определялся тем фактом, что именно эта часть водного объема используется при регулировании речного стока водохранилищем. Обмен вод полезного объема (Кв) по [3] выражается зависимостями:

где Wпр. – объем притока к гидроузлу, Wст. – объем стока через гидроузел, Vп – полезный объем.

Выбор приведенных зависимостей определялся их наиболее частым использованием в практике. При расчете кратности обмена вод с использованием полезного объема водоема использованы два значения – по материалам из ПИВР 2016 г. и по уточненным величинам топографических характеристик водоема [4, 5, 6]. Разница между указанными величинами объемов вод составила 2,02 %. В последующих расчетах и анализе обмена вод в многолетнем аспекте использованы материалы наблюдений за речным стоком и величиной сброса вод через гидроузел за период 1965-2022 гг., то есть за больший период, чем в материалах утвержденного ПИВРа.

Для оценки обмена вод в Воткинском водохранилище за многолетний период (за все время эксплуатации водоема) был использован ранжированный ряд величины сброса вод через створ гидроузла. Такая оценка была дана отдельно для группы многоводных, средних по водности и маловодных лет.

Для первой группы лет следует отметить, что наибольшее значение поступающего в водоем расхода воды (по основной реке и боковым притокам) отмечалось в 1994 г. и составило величину объема вод равную 77,5 км3 (формула 1). При этом показатели внешнего обмена вод по ПИВРу и по уточненным нами топографическим характеристикам были равны – 17,4 и 17,8. Наименьшее значение поступающего расхода воды в водохранилище составило 63,4 км3 объема воды. Показатели обмена вод были 14,2 и 14,5. Отмечалось это в 2001 г. Среднее значение поступающего объема воды за рассматриваемый интервал времени составило 68,9 км3, при величинах показателей обмена вод в 15,5 и 15,8. При этом разница между средними величинами обмена вод составила 0,3 (табл. 1).

При использовании формулы (2) ситуация отмечалась следующая. Наибольшее значение сбрасываемого объема воды через створ гидроузла отмечалось также в 1994 г., как и с использованием показателей обмена вод по формуле (1). Величина сбросного объема воды составила 77,0 км3 , при этом показатели обмена вод по двум вариантам были равны 17,3 и 17,6. Минимальный объем сбрасываемой воды был в 1972 г. и равнялся 61,9 км3, при этом показатели обмена вод составили 13,9 и 14,2. Средняя величина объема сбрасываемых вод составила 67,9 км3 . При этом показатели обмена вод были равны соответственно – 15,3 и 15,6. Разница в их величинах, как и предыдущем варианте, то есть с использованием формулы (1) была 0,3 (табл. 2).

Использование формулы (3), учитывающей как объем притока воды в водохранилище, так и величину сброса из него дало следующий результат. Наибольшее значение объема также как и выше указанных двух вариантах, отмечалось в 1994 г. При этом показатели обмена вод были раны 17,4 и 17,7. Наименьшие значения отмечались в 1995 г. и составили соответственно – 13,9 и 14,2. Разница в их величинах составила те же 0,3.

Таблица 1

Расчет коэффициентов водообмена по приточности к Воткинскому гидроузлу

Анализ материалов для группы «средних по водности лет» проведен по той же схеме, что и для многоводных лет. Дана оценка обмена вод в изучаемом водном объекте по трем формулам (1-3) с учетом материалов ПИВР и уточненным характеристикам (использован весь период эксплуатации водоема).

Наибольшее поступление вод в водохранилище для рассматриваемой группы лет наблюдалось в 1997 г. и составляло 63,2 км3 . При этом показатели обмена вод составили 14,2 и 14,5. Минимальное значение поступающих в водоем вод составило 55,3 км3 и было отмечено в 1996 г. Показатели обмена вод при этом равнялись 12,4 и 12,7. Средний объем вод, поступивших в водоем составил 59,2 км3, а показатели обмена вод изменялись от 13,3 до 13,6.

Таблица 2

Расчет коэффициентов водообмена по сбросам через Воткинский гидроузел

Второй вариант расчета (формула 2) дал следующий результат. Наибольшее значение стока сбрасываемого через створ Воткинского гидроузла наблюдался в 1971 и 2008 гг. и был равен 61,1 км3. При этом показатели обмена вод были равны 13,7 и 14,0. Наименьший объем сбрасываемых вод отмечался в 2005 г. и был 53,8 км3. Показатели обмена вод составили 12,1 и 12,3. Среднее значение сбрасываемого объема вод в рассматриваемый период времени был 58,3 км3. Обмен вод в водоеме происходил при этом 13,1 и 13,4 раза.

Оценка обмена вод с использованием величин притока и сброса вод в водоем показала следующий результат. Наиболее интенсивный обмен вод наблюдался в 2001 г., при этом показатели водообмена составляли 13,9 и 14.2. Наименее интенсивный обмен вод был в 2013 г., обмен вод при этом составил 12,2 и 12,5. Средние величины обмена вод по формуле (3) составили 13,2 и 13,5. По всем трем формулам разница между величинами обмена вод по ПИВР и уточненному варианту была одинакова и составляла 0,3.

Анализ материалов для группы маловодных лет показал следующую картину. Наибольшие величины поступающего в водохранилище объема стока наблюдались в 1970 г. и составили 54,6 км3. Показатели обмена вод при этом были 12,3 и 12,5. Наименьшее значение поступающего объема вод в водоем было зафиксировано в 1967 г. (самый маловодный год за весь период эксплуатации водохранилища) и равнялось 36,1 км3, а показатели обмена вод были самыми минимальными за все годы наблюдений за состоянием водного объекта и равнялись 8,11 и 8,28. Разница между величинами обмена вод в условиях максимального и минимального поступления вод в водоем составила 4,15 и 4,23. Среднее значение объема притока было 47,5 км3. Показатели интенсивности обмена вод были 10,7 и 10.9.

Наименьшая величина сбрасываемого через плотину ГЭС объема вод отмечалась в 1996 г. и было 53,1 км3. Показатели обмена вод были 11,9 и 12,2. Наименьший объем вод сброшенных в нижний бьеф гидроузла был отмечен, как и в предыдущем варианте (то есть по притоку) в 1967 г. и составил 36,0 км3. Обмен вод при этом был 8,09 и 8,26 (это также минимальные значения за весь период). Среднее значение объема вод для рассматриваемой группы лет составило 46,7 км3 при обмене вод – 10,5 и 10,7.

Использование формулы (3), учитывающей объемы как притока вод в водохранилище, так и величину сброса вод через створ гидроузла показало следующее. Наибольшая величина среднего стока зафиксирована в 1996 г., наименьшая в 1967 г. Величины обмена вод при этом были в 1996 г. – 12, и 12,4, в 1967 г. – 8,10 и 8,27. Интервал между значениями обмена вод составил 4,08 и 4,16. Среднее значение обмена вод было 10,6 и 10,8. Разница между величинами обмена вод с использованием материалов ПИВР и более длинного периода наблюдений составило для всех трех вариантов формул 0,22.

Выводы. Оценка обмена вод с использованием показателей по притоку вод в водоем и стока из него свидетельствуют, что эти показатели могут находиться в разных группах лет по водности. Это говорит об азональности водохранилищ, как водных объектов, то есть по мере продвижения вод от верховьев водоема к плотине гидроузла происходит временное перераспределение водных объемов. Так, для Камского водохранилища – 1957, 1985, 1992, 2008 гг. и для Воткинского водохранилища – 1995, 2001 гг. по показателю притока располагаются в группе «многоводные годы», а по показателю сброса воды в группе «средние по водности годы». Но встречается и иная картина. Так для Камского водохранилища – 1974, 1999, 2016 гг., для Воткинского водохранилища – 1965, 1972 гг. по показателю притока располагаются в группе «средние по водности годы», а по показателю сброса воды в группе «многоводные годы». Интересен для Камского водохранилища 1997 г., располагающийся по показателю притока в группе «маловодные годы», а по показателю сброса воды в группе «многоводные годы». Согласно расчетам, сброс воды в этом году превысил приток на 9,20 км3. А коэффициенты обмена вод по сбросу превысили аналогичные значения по притоку на 0,93/1,01.

Годы, находящиеся по показателям приточности и сбросам воды, в разных по водности группах – редкость, чаще всего значения лет располагаются в одной группе. Для Камского водохранилища вышеописанные несоответствия преимущественно встречаются в серединах группы (распределения), тогда как для Воткинского водохранилища такие нестыковки присущи чаще всего на пограничных частях групп водности. Такое явление может объясняться большей неравномерностью поступающего стока к створу Камского гидроузла, связанного с каскадным расположением водохранилищ. Воткинское водохранилище является 2 ступенью камского каскада, получая ~95 % стока через попуски Камской ГЭС. Так, для Камского водохранилища наибольший размах среди значений объемов стока и внешнего водообмена выявлен по показателю приточности для группы «многоводные годы» и составил 20,1 км3 или 2,04/2,22. Для Воткинского водохранилища ситуация обратная, наибольший размах зафиксирован в группе «маловодные годы» и составил 18,5 км3 или 4,15/4,23, это говорит о неравномерности стока, связанного как, уже отмечалось выше с каскадным расположением водохранилищ.

Рассматривая статистический аспект исследования можно констатировать, что ряды разной водности для Воткинского водохранилища не равнозначны – средние по водности годы превосходят многоводные и маловодные на одно значение, что, однако не является препятствием для анализа полученных материалов.

Анализ многолетней динамики годового стока воды через гидроузел Воткинской ГЭС показал положительный тренд. Аналогичный вывод можно сделать и по значениям коэффициентов обмена вод. Так в створе гидроузла сток вырос с 53,7 км3 до 57,6 км3 . Величина обмена вод увеличилась с 12,1 до 12,9 по материалам ПИВР и с 12,3 до 13,2 по уточненным характеристикам. Таким образом, увеличение объема вод составило 3,79 км3 или 6,59 %.

Для оценки протекания динамических процессов в водных объектах требуются расчеты показателей обмена вод, которые зависят от объема воды находящегося в данный конкретный момент времени в водоемах (естественных или искусственных). Такие характеристики получены нами с использованием полезного объема вод сосредоточенного в чаше Воткинского водохранилища по материалам официального источника (ПИВР 2016 г.) и по материалам уточненных топографических характеристик. Для всех трех групп водности лет (и по притоку и по стоку) они составили: многоводные годы – 0,32; средние по водности годы – 0,27; маловодные – 0,22. С увеличением водности лет происходит рост разницы в значениях показателя обмена вод по притоку и стоку.

Для водохранилищ приходная часть их водного баланса (приточность вод по основной реке и ее притокам, атмосферные осадки на зеркало водоема и др.) практически всегда превышает расходную (сбросы воды через створ гидроузла, испарение, забор воды на хозяйственные нужды и др.). Этим сохраняется ресурс воды необходимый потребления различными водопользователями.