Назначение, классификации и специфика водохранилищ

Водохранилищами называют искусственные водоемы объемом более 1 млн. м³ или естественные озера с гидрологическим режимом, измененным человеком. Их создают в долинах рек или чашах путем возведения плотины. В отдельных случаях водохранилища образуют путем создания выемки (наливные в.-копани); в приморских районах водохранилища создают путем обвалования дамбами. Несколько водохранилищ на одной реке образуют каскад, что позволяет частично управлять водными ресурсами во времени и пространстве. Они представляют собой искусственно созданный природный объект, входящий в состав геотехнической системы. В мире создано более 32 тыс. водохранилищ, а в России эксплуатируется их более 2,22 тыс. Наиболее крупные водохранилища гидроэлектростанций, на которых в России ежегодно вырабатывается примерно 19% электроэнергии.

Согласно расчетам Р. К. Клиге, для суши характерен отрицательный водный баланс. Сокращение объема подземных вод и озер в последней трети XX в. составило соответственно 108 и 38 км³/год, таяние ледников – 429 км³/год. Аккумуляция воды в водохранилищах, равная 32 км³/год, лишь на 5,5% компенсирует «обезвоживание» суши. Поэтому глобальная функция водохранилищ в современной гидро-климатической системе – сохранение воды на суше.

Можно выделить восемь основных направлений использования водохранилищ.

1. Значение водохранилищ для гарантированного водоснабжения промышленных предприятий, городов и прочих населенных пунктов. По качеству воды и охранному режиму они подразделяются на четыре группы: питьевого назначения; созданные в основном для водоснабжения, но используемые одновременно и другими отраслями хозяйства; комплексные и одноцелевые, использование которых для водоснабжения не представляется возможным.

2. Водохранилища и энергетика. Современная энергетика немыслима без водохранилищ. В них нуждаются как гидравлические (ГЭС) и гидроаккумулирующие станции (ГАЭС), так и тепловые и атомные. ГЭС – обязательное звено в единой региональной энергетической системе; они способны покрывать пиковые нагрузки. Без водохранилищ невозможно суточное, недельное и сезонное регулирование стока в интересах энергетики и других отраслей хозяйства. Себестоимость выработки электроэнергии на ГЭС в 5-7 раз меньше, чем на тепловых станциях.

В то же время крупным водохранилищам ГЭС свойственны отрицательные экологические эффекты: затопление земель, переработка берегов, подтопление населенных пунктов, заболачивание, засоление, аридизация ландшафтов поймы реки в нижнем бьефе, изменения в метеорологическом режиме прилегающей территории, туманы зимой в нижнем бьефе, региональная активизация движений земной коры, вызывающая небольшие землетрясения. Воздействие водохранилищ тепловых и атомных электростанций связано с поступлением с водой добавочного тепла.

3. Значение водохранилищ для борьбы с наводнениями. Особенно эффективна их роль в областях муссонного климата (пример – водохранилище Зейской ГЭС).

Создание небольших регулирующих водохранилищ (например, на Северном Кавказе) дает возможность в нижних бьефах гидроузлов ликвидировать паводки и катастрофические наводнения. Однако срезка весеннего половодья имеет отрицательные последствия для сельского хозяйства – не обеспечивается оптимальная весенняя влагозарядка почвы, что ведет к остепнению пойм.

4. Значение водохранилищ для орошения. Предпосылкой развития орошаемого земледелия выступает наличие гарантированного запаса воды. Создание таких водохранилищ, как Саратовское, Волгоградское, Краснодарское, Каховское (Украина), Кайраккумское и Чардаринское (Узбекистан) и др., позволило оросить миллионы гектаров сельскохозяйственных земель. Главное негативное экологическое последствие – засоление земель.

5. Значение водохранилищ для рекреации. По данным А. Б. Авакяна и В. Б. Яковлевой, на берегах водохранилищ проживало более 27 млн. чел. городского населения и более 50 млн. чел. – в пределах двухчасовой езды до водохранилищ, которые использовали водоемы для отдыха. Водохранилища повышают рекреационную емкость и ценность ландшафта.

Рекреационный потенциал водохранилищ в России используется недостаточно. Основные причины такого положения: неудовлетворительная очистка чаши водоема перед затоплением, цветение воды и интенсивная переработка берегов, затрудняющая размещение в прибрежной полосе учреждений отдыха и подступы к воде, слабое развитие дорожно-транспортной сети.

6. Значение водохранилищ для рыбного хозяйства. Наиболее эффективны малые водохранилища рыбохозяйственного назначения, созданные в зоне влияния крупных городов (например, водохранилище Межура на р. Межиха в Калужской области). Создание крупных водохранилищ в принципе открывает возможности развития туводных рыб, но рыбопродуктивность искусственных морей, за исключением Цимлянского, ниже проектных значений.

Причина роста рыбопродуктивности водохранилищ не только в увеличении площади акватории, но и в смене транзитного режима стока вещества и энергии на транзитно-аккумулятивный. В результате в водоеме возрастает кормовая база.

Создание подпорных сооружений на крупных равнинных реках, в частности на Волге, принесло ущерб проходным и полупроходным рыбам, чему способствовало также увеличение сброса неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод, развитие водного транспорта (как фактор беспокойства и загрязнения), лесосплав и т.д.

7. Значение водохранилищ для водного транспорта. С созданием водохранилищ в несколько раз увеличивается длина и ширина судового хода, радиусы закругления, что дает возможность повысить на 10-15% скорость движения судов. Среди недостатков, присущих водному транспорту на водохранилищах, в сравнении с речным, отметим затраты времени на шлюзование и большую длительность ледостава весной. Недостатком создания ряда крупных водохранилищ в Сибири (например, Братского, Усть-Илимского и др.) является отсутствие шлюзов.

8. Положительный эффект от создания водохранилищ для лесосплава заключается в увеличении протяженности трасс, ширины судового хода и ликвидации молевого сплава. Отрицательные последствия зарегулирования стока для лесосплава заключаются в более сложных ветроволновых условиях, сокращении периода навигации, снижении скоростей течений (для рек, по которым лес сплавлялся вниз по течению).

Водохранилища – многопризнаковые объекты, в связи с чем существуют различные их классификации: по типу регулирования гидрологического режима, по назначению, принадлежности к природной зоне (подзоне), по размерам (площади водного зеркала, глубине), генезису и морфологии чаши.

По назначению водохранилища подразделяются на многоцелевые и специальные. Среди многоцелевых выделяются водохранилища приоритетно-комплексного назначения, когда приоритет отдается какой-либо отрасли (чаще всего энергетике или ирригации), и комплексного назначения (без ярко выраженного лидирующего направления в его использовании). Водохранилище специального назначения – это водно-транспортные, рыбохозяйственные, сельскохозяйственные, энергетические, лесохозяйственные, канализационные, противоэрозионные, рекреационные и питьевые.

По приуроченности к макрорельефу выделяют равнинные, предгорные (низкогорные), горные и высокогорные водохранилища. По положению в географической зоне – тундровые, лесные, лесостепные, полупустынные и пустынные. Классификация водохранилищ по указанным двум физико-географическим признакам важна для проведения типологии зон их влияния.

По характеру регулирования стока, а следовательно и колебаниям режима уровня, различают водохранилища многолетнего, сезонного, месячного, недельного и суточного регулирования. Многолетнее регулирование стока преследует цель аккумулировать излишек воды в многоводные годы для использования ее в маловодные, а в пределах каскада – для специальных попусков воды в нижележащие водохранилища.

В Волжском каскаде такими водохранилищами являются Рыбинское и Куйбышевское. Сезонное регулирование стока осуществляется на многих крупных и средних водохранилищах, где отметка нормального подпорного уровня (НПУ) достигается ежегодно, обычно весной, а затем идет сработка уровня.

К. К. Эдельштейн предлагает гидроэкологическую классификацию водохранилищ:

¨ Водоемы повышенного качества воды – источники коммунального (питьевого) и технического (промышленного) водоснабжения и водоемы рекреационного назначения.

¨ Водохранилища повышенной биологической продуктивности, используемые в рыбном и сельском хозяйстве, эвтрофирование которых, вызываемое обогащением воды органическими и биогенными минеральными веществами, не только не вредно, а скорее желательно для повышения рыбопродуктивности водоемов.

¨ Водохранилища, эксплуатируемые остальными отраслями, для которых качество воды не имеет принципиального значения (например, водохранилища транспортного назначения, противопаводковые, для целей лесосплава и др.).

С позиций оценки влияния водохранилищ на прилегающую территорию огромный интерес представляет типология режима уровня водохранилищ за теплый период года. Для равнинных водохранилищ (Иваньковского, Рыбинского, Горьковского, Новосибирского, Камского и др.) выделены три типа колебаний уровня с несколькими подтипами:

1. В течение всего теплого периода уровень воды в водохранилище равен НПУ.

2. НПУ устанавливается на непродолжительное время в начале вегетационного периода, а с середины или конца июня происходит снижение уровня.

3. В течение всего теплого периода уровень ниже НПУ на 1-3 м и более.

На стадии проектирования каждому водохранилищу определяется свой нормальный подпорный уровень. Это высший проектный уровень верхнего бьефа плотины, который подпорные сооружения могут поддерживать в нормальных эксплуатационных условиях в течение длительного времени.

Минимальный уровень водохранилища, до которого возможна его сработка в условиях нормальной эксплуатации, называется уровнем мертвого объема (УМО). Объем воды, заключенный между НПУ и УМО, называется полезным (это сливная призма водохранилища). Именно этот объем воды представляет собой ресурс, активно используемый различными отраслями хозяйства. В отдельные годы за счет интенсивного снеготаяния, интенсивных осадков и экстремальных сбросов воды из вышележащих в нижележащие водохранилища наблюдается временное повышение уровня до отметки форсированного подпорного уровня (ФПУ).

На водохранилищах, используемых для водного транспорта или лесосплава, сработка уровня в период навигации ограничена уровнем, при котором речной флот по состоянию глубин может продолжать нормальную работу. Этот уровень называется уровнем навигационной сработки (УНС). Для ряда водохранилищ установлен минимальный санитарный уровень (МСУ), ниже которого качество воды не отвечает нормативным требованиям.

В проектно-технической документации для водохранилищ принято выделять четыре зоны, каждая из которых характеризуется своим режимом уровня.

Зона постоянного затопления – вся акватория водохранилища при НПУ у плотины с учетом кривой подпора, соответствующей расходу воды Q 10% обеспеченности в главном притоке.

1. Зона периодического временного затопления та же, но при Q 5% обеспеченности.

2. Зона эпизодического временного затопления – вся площадь водохранилища, но при ФПУ у плотины и кривой подпора при Q 5% обеспеченности.

3. Мелководная зона – часть водохранилища с глубиной до 2-2,5 м при НПУ. Гидроэкологическая ситуация и характер процессов в каждой из этих зон специфичны.

Создание водохранилищ приводит к резкому снижению скорости водообмена в речных системах. По оценке Г. П. Калинина, на начало 70-х годов XX в. продолжительность водообмена в реках мира в связи с созданием водохранилищ возросла с 20 до 60 суток. Если использовать в качестве показателя интенсивности водообмена v – отношение Q/W, где Q – средний расход реки (водохранилища), W – запас воды в реке (водохранилище) то, например, на Рыбинском водохранилище этот показатель с 17 снизился до 1,4.

Факт снижения интенсивности водообмена имеет огромные физико-географические и экологические последствия. Водохранилища – мощные аккумуляторы вещества, что обусловлено снижением скоростей течения и оседанием наносов из основной реки и притоков и с поступлением материала от абразии берегов. В целом в нижний бьеф сбрасывается не более 5-10% наносов, поступающих в водохранилище. Заиление горных водохранилищ идет намного интенсивнее, чем равнинных.

Другой крупный процесс, присущий многим водохранилищам, – эвтрофирование. Эвтрофирование – это резкое увеличение биологической продуктивности водоема в результате повышенного поступления соединений фосфора и азота, причем по мере накопления в водоеме органических остатков содержание фосфора, азота, калия возрастает и с течением, времени начинает превышать ПДК. В этом случае уже можно говорить о загрязнении водохранилища. Интенсивное применение минеральных и органических удобрений, гербицидов, дефолиантов создало критическую гидрохимическую обстановку на многих водохранилищах (Куйбышевском, Чардаринском, Каховском, Краснодарском и др.).

Таким образом, водохранилища – полифункциональные объекты, создание которых рождает как объективные, так и субъективные противоречия в их использовании. С их строительством связаны долговременные и сложные геоэкологические проблемы, в связи с чем составление ОВОС при проектировании крупных водохранилищ ГЭС– задача многоплановая и междисциплинарная, в которой принимают участие гидротехники, гидрологи, геологи, физикогеографы, лесоводы, биологи, экономисты, юристы и др.