Интенсивность водообмена и перемещение водных масс

Интенсивность обмена воды — одна из важнейших эколого­гидрологических характеристик водохранилища, так как она дает наглядное представление о полном или частичном обновлении воды за конкретный период. В конечном итоге интенсивность водообмена обусловливает интенсивность турбулентного переме­шивания водной массы, гидробиологические и гидрохимические процессы, а также санитарно-гигиеническое состояние водохра­нилища [47].

В настоящее время еще не разработан интегральный показа­тель степени подвижности водных масс, и для ее оценки прихо­дится довольствоваться простейшей характеристикой, какой яв­ляется показатель условного водообмена Ку. По В. Н. Штефану [90], он представляет собой отношение за определенный период времени (за год, сезон, месяц и т. д.) полусуммы объема прито­ка (Vnp) и стока (VCT) воды к объему водохранилища (W) за тот же период времени, т. е.

Ку = (Vnp + VCT)/ 2W. (5)

Показатель Ку называется условным, так как он рассчитыва­ется в предположении, что за период водообмена вся вода водо­хранилища заменяется новой, и не учитывает особенностей во­дообмена в различных его частях.

По степени интенсивности водообмена за годовой период со­гласно ГОСТ 17.1.02—77 различают водохранилища с замедлен­ным (Ку < 0,1), умеренным (0,1 < Ку <5,0) и интенсивным (Ку>5,0) водообменом. Формально, если строго следовать это­му ГОСТу, Воронежское водохранилище относится к водоемам с интенсивным водообменом. Так, в средний по водности год в целом за годовой цикл в нем совершается 10-кратная смена воды (Ку = 10) и в маловодный 95 %-ной обеспеченности повторяемо­стью один раз в 20 лет — 4-кратная.

Олнако если рассматривать обмен воды не в целом за год, а за отдельные сезоны и месяцы, то картина представляется не столь благополучной. В летний и зимний сезоны, и в особенности в отдельные летние месяцы, водообмен является посредственным и даже неудовлетворительным (рис. 30).

Наибольшей интенсивности водообмен достигает в апреле, когда вода в водохранилище меняется 9,43 раза в многоводный (1979 г.), 3,53 раза — в средний по водности и 0,87 раза — в ма­ловодный (1989 г.) годы. Наименьшая смена водных масс наблю­дается в конце лета — начале осени. За весь летний сезон в сред­ний по водности год происходит обновление свежей водой один раз, в многоводное лето (1980 г.) — 2,2 раза и в маловодное (1992 г.) — только 70 % объема водохранилища. В особо засуш­ливое лето, подобное лету 1972 г., свежей водой сможет заме­ниться лишь одна треть объема. В отдельные летние и зимние месяцы (июль 1992 г., ноябрь 1982 г.) показатель водообмена не превышал 0,20—0,21, т. е. свежей водой замещалось всего 20—21 % объема водохранилища. В перспективе с ростом забора воды из водохранилища интенсивность водообмена уменьшится [39, 46, 54, 55].

Условия водообмена в водохранилище, кроме объема притока и стока воды, определяются еще и его морфометрическими и морфологическими особенностями. Поскольку четыре дамбы де­лят водохранилище на пять самостоятельных частей, соединен­ных между собой в местах мостовых переходов как бы короткими и узкими проливами, а мостовые переходы смещены относительно центральной оси водохранилища то к левому, то к правому бере­гу, обмен воды происходит не по всему живому сечению водо­хранилища, а в основном по динамической оси, совпадающей с бывшим руслом реки. Участки, находящиеся в стороне от нее, замещаются свежей водой значительно хуже. Замедленный водо­обмен наблюдается также у плотины на глубине 5,5 м и более, так как ниже этой глубины воды, находящиеся у плотины, не сбрасываются в нижний бьеф гидроузла [32].

Очевидно, чем меньше значение показателя условного водо­обмена Ку, тем слабее протекают процессы ассимиляции и раз­бавления, что самым отрицательным образом сказывается на са­нитарно-гигиеническом и гидробиологическом состоянии водохра­нилища. Особенно неблагоприятные условия складываются в мел­ководных зонах водохранилища, расположенных вдали от тран­зитного течения, где интенсивность водообмена намного ниже по сравнению со средними показателями. Пробы воды, взятые в таких зонах, по санитарно-гигиеническим показателям имеют значительно худшие показатели, чем пробы, отобранные на глу­боких участках [47].

В тесной зависимости от интенсивности смены водных масс находится скорость течения воды. Скорость стокового течения в водохранилище незначительна и в большинстве случаев, особен­но в меженный период, не поддается прямому измерению. Но она может быть получена расчетным путем по данным о сбросе воды из водохранилища и площади живого сечения.

Средняя скорость течения колеблется в зависимости от водно­сти и сезона года. В многоводные годы в летний период (июль) в верховьях водохранилища она равна 0,54 см/с, в пределах го­родской застройки — 0,41 см/с, в низовьях — 0,24 см/с. Весной (апрель) скорость течения повышается соответственно до 21,7;

16,2— 13,4 и 9,35 см/с. В маловодные годы скорость течения воды меньше. Летом по длине водохранилища она изменяется от 0,52 см/с в верховьях до 0,22 см/с — в низовьях, весной — соот­ветственно от 5,10 см/с до 2,18 см/с.

Средняя скорость течения в створах мостовых переходов вес­ной (апрель) достигает 60 см/с в многоводные годы, 33 см/с — в средний по водности год и 11 см/с — в маловодные годы. В летний период скорость течения под мостами уменьшается до 1,5—

1,0 см/с. Из приведенных данных следует, что в разные по вод­ности годы и во все сезоны средняя скорость течения воды, вслед­ствие увеличения площади живого сечения водохранилища от вер­ховья к плотине, постепенно уменьшается в этом же направле­нии [39, 52J.