влияние гидрологического режима нижнего бьефа чебоксарской

УДК 556.34
ВЛИЯНИЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА НИЖНЕГО БЬЕФА
ЧЕБОКСАРСКОЙ ГЭС НА РЕКРЕАЦИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ УСТЬЯ
РЕКИ БОЛЬШАЯ КОКШАГА1
А.Г. Турлов
Марийский государственный технический университет, г. Йошкар-Ола, Россия
Строительство гидроузлов приводит к существенному изменению гидрологического
режима реки как в верхнем, так и в нижнем бьефе. Основное воздействие на русло в
нижнем бьефе оказывает суточное регулирование выработки электроэнергии и связанное
с ним прохождение волны попуска, которое сопровождается резким изменением
уровненного и скоростного режимов. Особо следует отметить нарушение стабильности
на участках впадения притоков. Различными учеными, исследовавшими данный процесс,
отмечаются такие проблемы, как повышенный вынос наносов из притоков в основное
русло, эфтрофирование устьевых участков притоков и т.д.
Все негативные процессы, связанные с нестабильностью гидрологического режима
нижнего бьефа Чебоксарской ГЭС, наглядно проявляются на устьевом участке р. Большая
Кокшага. Река впадает в Волгу в 27 км ниже гидроузла. Этот участок традиционно
используется для отдыха населения благодаря отсутствию промышленных предприятий,
а также близости к крупным городам республик Поволжья. Левобережные песчаные
пляжи реки Волга и Б. Кокшаги интенсивно осваиваются объектами рекреационного
назначения.
В то же время привлекательность данного района для отдыха, а
следовательно, и его экономический потенциал, напрямую связаны с качественными
характеристиками воды и побережья. Поэтому необходимо своевременно прогнозировать
вероятные изменения русловых процессов. Тем более, что за годы после пуска
Чебоксарской ГЭС значительно изменилось положение русла притока и увеличились
песчаные косы прилегающих к устью островов.
С целью оценки влияния гидрологического режима нижнего бьефа Чебоксарской
ГЭС на ситуацию в устьевом участке Б.Кокшаги с 2001 г. нами проводятся
экспедиционные исследования. В процессе исследований был визуально обследован
устьевой участок, а также проведены гидрометрические исследования в створах рек
Волга и Б. Кокшага.
Визуальное обследование устьевого участка Б. Кокшаги показало, что на всем
устьевом участке
наблюдаются по большей части крутые подмытые берега,
малопригодные для рекреационного использования. При этом в периоды падения уровня
воды обнажается прибрежный склон, покрытый слоем ила. В то же время в центральной
части русла дно твердое песчаное. Гидрометрические наблюдения показали, что в устье
амплитуда суточных колебаний достигает 0,9 м (рис. 1). При этом в устьевой части
наблюдается возникновение встречного течения (рис. 2). При замерах в створе,
отстоящем от устья на 7 км, наблюдаемая амплитуда колебания уровня воды составила
0,6 м. При этом встречного течения не наблюдалось. В то же время наблюдалось
суточное изменение мгновенного расхода от 10 до 50 м3/с. Это объясняется большой
шириной устьевого участка реки, а также наличием сообщающихся с руслом участков
стариц и затопленной при наполнении Куйбышевского водохранилища поймой.
Расчеты, проведенные на основе изучения картографического материала,
исследований на местности и данных наблюдений за колебаниями уровня в различных
2
Россинский К.И., Дебольский В.К. Речные наносы. М.: Наука, 1980. 218 с.
створах, показывают, что увеличение емкости устьевого участка р. Б. Кокшага при
суточном повышении уровня воды р. Волга на 0,8 м составляют около миллиона
кубометров. Учитывая, что рост уровня воды происходит с различной интенсивностью в
среднем за 5 часов, для наполнения данного объема требуется расход 50…70 м3/с, что не
обеспечивается стоком Б. Кокшаги.
Наличие периодических встречных течений останавливает движение донных и
взвешенных наносов, что приводит к заиливанию русла и уменьшению живого сечения.
Вследствие этого русло реки постоянно меняет свою конфигурацию. Анализ
картографического материала и данные наших наблюдений (рис. 3), показывают, что за
последние годы русло Б. Кокшаги несколько раз меняло свое положение. При этом
наблюдается устойчивая тенденция смещения устья вверх по течению р. Волги. Основная
причина этого - установившееся несовпадение фаз суточных изменений расходов Волги и
Б.Кокшаги. Максимальные расходы в устье Б. Кокшаги наблюдаются в ночныераннеутренние часы. В то же время расходы в Волге из-за остановки турбин ГЭС в это
время падают практически до нуля. При этом в устьевом участке происходит активный
размыв отложившихся в период подъема уровня наносов, а также местный подмыв
берегов. После впадения в Волгу и резкого падения скоростей течения наносы
останавливаются в протоке между левым берегом и островом, отделяющим устье Б.
Кокшаги от основного русла. Происходит наслоение наносов в протоке. Это приводит к
уменьшению глубины и живого сечения протоки. После включения агрегатов ГЭС и
нарастания расхода в Волге из-за увеличившегося гидравлического сопротивления
протоки все большая часть расхода стремится по основному руслу. При этом скорости в
протоке, постепенно уменьшаясь, не могут размыть накопившиеся отложения. Это
приводит к постепенному обмелению протоки.
Наблюдения в октябре 2003 г. показали, что при осенней сработке НПУ
Куйбышевского водохранилища на 2 м, протока полностью пересыхает, и Б. Кокшага
направляет свои воды по протоке навстречу Волге, впадая в последнюю на 4 км выше
естественного русла. Одновременно
из-за увеличивающейся доли расхода через
основное русло активно подмывается русловая сторона острова. А смытый грунт
откладывается ниже острова в виде косы. Так, заложенные в 2002 г. реперы на русловой
стороне острова напротив устья Б. Кокшаги на следующий год оказались смытыми. В то
же время нижняя коса острова интенсивно наращивает свою площадь и зарастает
кустарниками.
Ежегодно проводимые нами теодолитные съемки косы позволяют достаточно точно
отслеживать ее изменения. Уже сейчас можно спрогнозировать дальнейшее развитие
ситуации. В перспективе существующий остров в нижней части за счет роста косы и
обмеления протоки соединится с левым берегом и продвинется вниз по течению Волги.
Это приведет к перекрытию входа в Кокшайский залив, являющийся основной базой
маломерного флота г. Йошкар-Олы, создаст затруднения для подхода пассажирских и
грузовых судов к Кокшайской пристани. Кроме того, значительная часть используемых
сейчас пляжей окажется отделенной от основного русла, а из-за снижения прибрежных
скоростей будет усиливаться заиливание пляжей. Сам же остров напротив устья Б.
Кокшаги, скорее всего, разделится на два, чему способствует встречный подмыв его
средней части как со стороны устья, так и со стороны основного русла. Подобное уже
произошло с островом, расположенным напротив устья М. Кокшаги.
Для количественной оценки происходящих в устье Б. Кокшаги процессов были
выполнены расчеты [1] движения наносов на данном участке на основе фактических
данных о суточных уровненных и расходных режимах Волги и Б. Кокшаги и
гранулометрического анализа проб грунта. Расчеты показывают наличие круглосуточного
движения наносов в створе, отстоящем на 7 км от устья с расходом до 133 кг/ч. В то же
время для устьевого створа движение наносов возможно только в период с 0 до 6 часов.
В это время расход увеличивается до 100 м3/с за счет сработки аккумулирующих
емкостей поймы, а твердый сток частиц преобладающего размера доходит до 120 кг/ч.
Этого недостаточно для смыва всех поступивших наносов. Поэтому в течение всего
летнего сезона происходит аккумулирование наносов на участке устьевого расширения Б.
Кокшаги. Частично эти запасы сносятся при осенней сработке Куйбышевского
водохранилища и увеличении скоростей течения за счет уменьшения живого сечения
русла. Расчеты, проведенные для участка протоки р. Волги, в которую впадает Б.
Кокшага, показывают, что для устойчивого транзита наносов необходимы расходы не
менее 200 м3/с. В ночные периоды сброса уровня такие расходы невозможны из-за
отсутствия течения в Волге. В дневные часы часть расхода протоки уходит на
пополнение аккумулирующих емкостей поймы и отсутствует сток из Б. Кокшаги.
Наблюдения показывают, что даже в периоды наибольшего сброса Чебоксарской ГЭС и
расходах в основном русле Волги до 7000 м3/с расходы в протоке не превышают 150
м3/с. Результаты расчетов позволяют определять интенсивность подъема уровня дна в
протоке ниже устья Б. Кокшаги.
Проведенные исследования и выявленные закономерности развития устья Б.
Кокшаги позволяют предложить вариант гидротехнического обустройства устьевого
участка, обеспечивающий стабилизацию морфометрических параметров русла и его
гидравлического режима. Суть предложения сводится к сооружению в устье Б. Кокшаги
искусственного порога с отметкой на 0,2…0,3 м выше НПУ Куйбышевского
водохранилища с параллельным устройством бокового поверхностного водозаборного
сооружения и направлением соответствующего потока по старому руслу в сторону п.
Кокшайск. При этом на устьевом участке произойдет внутрисуточная стабилизация
естественных расходов и уровней. Это создаст благоприятные условия для развития
флоры и фауны как на устьевом участке русла реки, так и в затопленной пойме. Кроме
того, стабилизируются потоки наносов. Снизится неравномерность скоростных режимов,
потоков, выносящих наносы и принимающих их. Увеличатся скорости в протоке за счет
отсутствия расхода на питание аккумулирующих емкостей устья. Все это приведет к
уменьшению занесения протоки, создаст условия для существования осветленных
потоков вдоль побережья, используемого в рекреационных целях, и остановит процессы
заиливания пляжей.
Расход м3/с
-50
0:00
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
7:00
8:00
9:00
10:0
0
11:0
0
12:0
0
13:0
0
14:0
0
15:0
0
16:0
0
17:0
0
18:0
0
19:0
0
20:0
0
21:0
0
22:0
0
23:0
0
9-10 июня
10-11 июня
11-12 июня
-100
Время суток, ч
Рис.2. Изменения суточных расходов в устье Б. Кокшаги
6:
5:
4:
3:
2:
1:
0:
00
00
00
00
00
00
00
0
23
:0
0
0
22
:0
21
:0
0
0
20
:0
19
:0
0
0
18
:0
17
:0
0
0
16
:0
15
:0
0
0
14
:0
13
:0
0
0
12
:0
11
:0
0
00
00
00
10
:0
9:
8:
7:
Уровень воды в БСВ, м
54
53,9
53,8
53,7
53,6
53,5
53,4
53,3
Время суток
12-13 июня
-
Рис.1. График суточных колебаний уровня воды в устье Б. Кокшаги
150
100
50
0
Рис. 3. Изменение устьевого участка р. Б. Кокшага после пуска в эксплуатацию
Чебоксарской ГЭС:
--------- береговая черта по данным аэрофотосъемки 1994 г.;
- - - - - береговая черта по картам 1984 г. на отметке НПУ Куйбышевского
водохранилища 53 м;
-  -  -  современная береговая черта при сработке НПУ Куйбышевского
водохранилища до отметки 51.0 м (осень 2002 г.)