— искусственные водоемы, созданные, как правило, в долинах рек для накопления и хранения воды с целью использования в народном хозяйстве.

Водохранилища имеют черты сходства с и : с первым — по внешнему виду и замедленному водообмену, со второй — по поступательному характеру движения вод. При этом у них есть и свои отличительные особенности:

• водохранилища испытывают значительно большие, чем реки и озера, колебания уровня воды в течение года, которые связаны с искусственным регулированием стока — накоплением и сбросом вод;
• поточность вод приводит к меньшему нагреву воды, чем в озерах;
• мелкие водохранилища замерзают раньше, а крупные — позже, чем реки, но и те и другие вскрываются позже рек;
• минерализация вод водохранилищ больше, чем реки, и др.

Первые водохранилища, служившие для орошения полей, люди стали сооружать еще до нашей эры в долинах Нила, Тигра и Евфрата, Инда, Янцзы и др. В Средние века водохранилища были уже не только в Азии и Африке, но и в Европе и Америке. В Новое время водохранилища стали использовать не только для орошения, но и для промышленного водоснабжения и для развития речного транспорта. В новейшее время еше одной функцией водохранилищ стало получение электроэнергии.

Огромное количество водохранилищ было построено после . С того времени и до сегодняшнего дня их количество во всем мире возросло в пять раз. Именно в этот период были созданы самые крупные водохранилища мира. Пик создания водохранилищ в большинстве регионов мира пришелся на 1960-е гг., а затем начался постепенный спад.

В настоящее время на земном шаре эксплуатируется более 60 тыс. водохранилищ.

Основными параметрами водохранилищ являются площадь зеркала, объем воды, глубина и амплитуда колебания уровней воды в условиях его эксплуатации.

Площадь водного зеркала всех водохранилищ мира составляет 400 тыс. км 2 . Самым большим по площади зеркала считается водохранилище Виктория (Оуэн-Фоле) в Восточной Африке (Уганда). В его состав включается и озеро Виктория (68 000 км 2), уровень которого поднялся на 3 м в результате сооружения в 1954 г. плотины Оуэн-Фоле на реке Виктория-Нил. Второе место занимает водохранилище Вольта, расположенное в Республике Гана (Западная Африка). Его площадь зеркала составляет 8482 км 2 .

Длина некоторых наиболее крупных водохранилищ достигает 500 км, ширина — 60 км, максимальная глубина — 300 м. Самое глубокое водохранилище мира — Боулдер-Дам на р. Колорадо (средняя глубина 61 м).

Полный объем водохранилищ мира составляет 6600 км 3 , а полезный, т. е. пригодный для использования, — 3000 км 95 % воды водохранилищ приходится на водохранилища объемом более 0,1 км 3 . Самым большим водохранилищем по объему воды является также водохранилище Виктория (204,8 км 3). Братское водохранилище, расположенное на реке Ангара, следует за ним (169,3 км 3).

По объему воды и по площади водного зеркала водохранилища подразделяются на крупнейшие, очень крупные, крупные, средние, небольшие и малые.

Крупнейшие водохранилища имеют полный объем воды более 500 км 3 . Всего их 15. Они есть во всех регионах мира, кроме Австралии.

По своему генезису водохранилища подразделяются на долинно-речные, озерные, располагающиеся у выходов подземных вод, в эстуариях рек.

Для водохранилищ озерного типа (например. Рыбинское) характерно формирование водных масс, существенно отличных по своим физическим свойствам от свойств вод притоков. Течения в этих водохранилищах связаны больше всего с ветрами. Долинно-речные водохранилища (например, Дубоссарское) имеют вытянутую форму, течения в них, как правило, стоковые; водная масса по своим характеристикам близка к речным водам.

Назначение водохранилищ

По конкретному назначению воды водохранилища могут использоваться для орошения, водоснабжения, получения гидроэнергии, судоходства, рекреации и т. д. Причем они могут быть созданы для единой цели или для комплекса целей.

Более 40 % водохранилищ сосредоточены в умеренном поясе Северного полушария, где находится большинство экономически развитых стран. Значительное число водохранилищ расположено и в субтропическом поясе, где их создание связано прежде всего с необходимостью орошения земель. В пределах тропического, субэкваториального и экваториального поясов количество водохранилищ относительно невелико, но поскольку среди них преобладают крупные и крупнейшие, их доля в полном объеме всех водохранилищ составляет более 1/3.

Хозяйственное значение водохранилищ велико. Они регулируют сток, уменьшая наводнения и поддерживая необходимый уровень рек в течение остального времени года. Благодаря каскаду водохранилищ на реках создаются единые глубоководные транспортные магистрали. Водохранилища — зоны отдыха, рыболовства, рыбоводства, разведения водоплавающей птицы.

Но наряду с положительным значением водохранилища вызывают нежелательные, но неизбежные последствия: затопление земель выше плотины, прежде всего богатых пойменных лугов; подтопление и даже заболачивание земель выше плотины в зоне влияния водохранилищ из-за повышения уровня грунтовых вод; осушение земель ниже плотины; ухудшение качества воды в водохранилищах из-за снижения самоочищающей способности и избыточного развития сине-зеленых водорослей; плотины водохранилищ препятствуют нересту рыбы, причиняя ущерб рыболовству, и т. д.

При этом строительство водохранилищ наносит природе непоправимый вред: затопление и подтопление плодородных земель, заболачивание прилегающих территорий, переработка берегов, обезвоживание пойменных угодий, изменение микроклимата, в реках прерываются генетические миграционные пути рыб и др. Кроме этого, их сооружение в равнинной местности связано вырубкой лесов и необходимостью переселения многих тысяч людей. Конечно же, речь здесь в большей степени идет о крупных водохранилищах.

Водохранилища - творение человека

Наиболее успешным направлением в преобразовании человеком природных условий можно считать создание водохранилищ. Какое же из них достойно титула "Самое большое водохранилище в России"?

Человек постоянно пытается переделать природу в соответствии со своими потребностями. Благодаря этому стремлению на планете появилось огромное количество искусственных водоемов с пресной водой, использующихся для разведения рыбы, подачи воды, судоходства или же для получения энергии. Размер водохранилищ может быть самым различным от небольшого озерца до огромнейшего водоема. Так какое же из водоемов, расположенных на территории России, является самым большим?

Рыбинское водохранилище

Многие водохранилища России значатся в списке самых больших искусственных водоемов в мире. Большинство из них создано во второй половине двадцатого века. Размещение их на территории России неравномерно. Большая часть их находится в европейской части страны (более тысячи) , тогда как азиатская сторона насчитывает гораздо меньше (около ста) . Если собрать все водохранилища на одной площади, то общий объем их составит более одного миллиона квадратных метров.

Изначально самым крупнейшим искусственно созданным водоемом считалось Рыбинское водохранилище. Протяженность его составляет около ста сорока километров, ширина шестьдесят километров. Площадь водоема составляет около четырех с половиной тысяч квадратных километров, что всего в два раза меньше Онежского озера. Глубина не слишком большая - около шести метров, лишь на некоторых участках показатель достигает девяти-десяти метров. Строительство его началось за пять лет до начала ВОВ, однако и в тяжелые для России времена продолжалось заполнение чаши водоема. Полностью заполнено водохранилище было только в тысяча девятьсот сорок седьмом году. Причем, для постройки водоема пришлось переселить более шестисот селений, которые оказались под водой. Иногда данное водохранилище называют Рыбинским морем. Используется для рыбного промысла и судоходства.

Плотина Жигулевской ГЭС

Через семь лет после постройки Рыбинского водохранилища завершается строительство плотины Жигулевской ГЭС и появляется Куйбышевское водохранилище, площадью шесть с половиной тысяч километров квадратных. К слову, этот водоем считается самым бурным среди волжских водохранилищ. Высота волны в нем во время шторма очень часто превышает три метра. Таким образом, Рыбинское море, некогда носившее звание "Самое большое водохранилище в России" опускается на ступеньку ниже.

В настоящее время самым крупным водохранилищем (из числа русловых) не только в России, но и во всем мире считается Братское. Форма водоема достаточно своеобразна: широкие плесы сочетаются с длинными и извилистыми заливами. Появилось водохранилище в тысяча девятьсот шестьдесят первом году, однако проектная отметка была достигнута только через шесть лет. Объем водоема составляет около ста семидесяти кубических километров. Площадь около пяти с половиной тысяч квадратных километров. Длина более пятисот километров, а максимальная глубина сто шесть метров. Используется Братское водохранилище, помимо энергетического назначения, для лесосплава, рыбного хозяйства, водного транспорта, промышленного и коммунального водоснабжения. Благодаря появлению Братского водохранилища многие притоки стали судоходными.

В заключении следует сказать, что любое водохранилище, независимо от размера, полезно для человека. Именно они позволяют повысить качество промышленного и коммунального водоснабжения промышленных центров и больших городов.

Водохранилища, их классификация и характеристики

Общие сведения о регулировании стока. Виды и типы

Регулирования

Сток воды в реках в естественном состоянии является чрезвычайно изменчивым в зависимости от многих факторов, в первую очередь – от характера питания. На некоторых реках с преимущественно снеговым питанием максимальный расход воды в десятки и сотни раз больше минимального расхода. Во время паводка наблюдается большое увеличение расхода воды, повышение уровня и значительное увеличение глубин, которые полностью не используются для судоходства. В период небольших расходов и низкого стояния уровней глубины резко уменьшаются, особенно на перекатах, что ограничивает пропускную способность рек при осуществлении перевозок грузов и пассажиров.

Регулирование стока рек призвано изменить во времени естественный режим речного стока, уменьшить колебания стока воды, сделать водные пути более глубоководными на протяжении всего навигационного периода и существенно улучшить использование водных ресурсов для различных отраслей хозяйства: энергетики, судоходства, лесосплава, водоснабжения и сельского хозяйства. Кроме того, при регулировании стока решается задача предотвращения наводнений, защиты сельскохозяйственных угодий и строений.

Для регулирования стока на реке возводится узел гидротехнических сооружений (гидроузел), в состав которого (кроме прочих сооружений) входят одна или несколько плотин. Выше гидроузла уровни воды повышаются, образуется водохранилище, которое позволяет аккумулировать «излишки» воды во время прохождения больших расходов (в период снеговых и дождевых паводков). В меженный период на участок реки ниже гидроузла подается дополнительный расход воды по сравнению с его естественными значениями (производятся попуски воды из водохранилища), уровни воды и глубины при этом повышаются. Таким образом, происходит выравнивание неравномерности распределения расхода воды по времени.

Для каждого водохранилища путем выполнения водохозяйственных расчетов устанавливаются следующие характерные уровни воды, имеющие постоянные высотные отметки:

ФПУ – форсированный подпорный уровень;

НПУ – нормальный подпорный уровень;

УНС – уровень навигационной сработки;

УМО – уровень мертвого объема.

Форсированный подпорный уровень (ФПУ) – это уровень воды выше нормального, временно допускаемый в водохранилище при чрезвычайных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений (например, во время прохождения особо высокого паводка).

Нормальный подпорный уровень (НПУ) – это наивысший проектный уровень воды, который поддерживается в водохранилище при нормальных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений (до этого уровня водохранилище может наполняться во время обычного паводка).

Уровень навигационной сработки (УНС) – это наинизший уровень воды, допускаемый в водохранилище в период навигации, при этом учитывается необходимость поддержания судоходных глубин.

Уровень мертвого объема (УМО) – это наинизший уровень воды, до которого допускается опорожнение (сработка) водохранилища.

Разница объемов водохранилища при НПУ и УНС называется полезным объемом.

Объем водохранилища при УМО называется мертвым объемом. Величину мертвого объема водохранилища выбирают так, чтобы имелся минимальный напор воды, обеспечивающий нормальную работу турбин гидроэлектростанции. На реках, несущих большое количество наносов, при выборе величины мертвого объема учитывается время заполнения его наносами в процессе эксплуатации. Кроме того, при выборе УМО учитывается необходимость обеспечения надежной работы водоприемников, обеспечивающих подачу воды предприятиям, населенным пунктам и на сельскохозяйственные угодья.

Требования, предъявляемые к регулированию стока потребителями, являются различными и иногда противоречивыми. Например, для целей водного транспорта наибольшие расходы воды требуются летом, когда наблюдается минимальный естественный сток воды в реках, чтобы существенно увеличить глубины для обеспечения безопасного движения судов большой грузоподъемности. Для энергетики наибольшие расходы воды нужны в осенне-зимний период, когда существенно увеличивается потребность в выработке электрической энергии для промышленных пунктов. Кроме того, интересы энергетики требуют неравномерного расходования воды в течение суток и по дням недели из-за неравномерного потребления энергии, а для водного транспорта желательно иметь постоянные расходы воды и глубины, чтобы не было затруднений для движения судов.

Сельское хозяйство нуждается в резком увеличении расходов воды, в основном, в течение короткого вегетационного периода для орошения полей и полива растений.

Поэтому при проектировании мероприятия по регулированию речного стока необходимо учитывать интересы всех отраслей хозяйства, чтобы получить наибольший экономический эффект от использования водных ресурсов.

В зависимости от продолжительности периода перераспределения стока и от режима работы водохранилища различают следующие виды регулирования речного стока: многолетнее, годичное (сезонное), недельное и суточное.

Многолетнее регулирование предусматривает выравнивание стока на протяжении нескольких лет. При этом в многоводные годы происходит наполнение водохранилищ, а в маловодные годы, в основном, созданные запасы воды расходуются. Таким образом, многолетнее регулирование выравнивает не только внутригодовые, но и многолетние колебания стока. Такой вид регулирования стока способствует стабильности и увеличению габаритов водного пути с большой обеспеченностью.

Для осуществления многолетнего регулирования стока создаются крупные водохранилища, позволяющие аккумулировать большие объемы воды. К таким водохранилищам относятся: Верхне-Свирское на р. Свирь, Рыбинское на р. Волга, Цимлянское на р. Дон, Братское на р. Ангара, Красноярское на р. Енисей и др.

Наиболее простым является годичное регулирование, при котором обеспечивается выравнивание стока только в пределах года. При этом водохранилище наполняется в период паводка, а в течение остального длительного периода, когда естественный сток воды резко уменьшается, происходит расходование воды из водохранилища. Полное опорожнение полезного объема воды водохранилища производится к началу следующего паводка. Для обеспечения такого регулирования стока требуется создание меньших по объему водохранилищ, чем при многолетнем регулировании. Годичное регулирование стока также улучшает условия судоходства, но с меньшей обеспеченностью габаритов водного пути. Разновидностью годичного регулирования является сезонное регулирование стока, при котором сработка водохранилища для повышения уровней воды и увеличения глубин ниже гидроузла производится только во время наиболее затруднительного для судоходства меженного периода.

Необходимость суточного и недельного регулирования стока объясняется неравномерностью потребления электрической энергии промышленными предприятиями и населенными пунктами. Суточное регулирование обуславливается неравномерностью потребления энергии в течение суток. Обычно наибольшее потребление энергии, вырабатываемой гидроэлектростанциями, происходит в дневные часы, когда работают промышленные предприятия и особенно в вечерние часы, когда работают предприятия и включается осветительная сеть населенных пунктов. Наименьшее потребление – ночью, так как в это время большинство предприятий не работает и отключается освещение. Поэтому для обеспечения такой неравномерности потребления электрической энергии работает соответствующее количество турбин гидроэлектростанции, и, следовательно, происходит неравномерное расходование воды из водохранилища.

Недельное регулирование стока обусловливается неравномерностью потребления электрической энергии в течение недели. В субботу и в воскресенье, когда многие предприятия не работают, потребление энергии существенно меньше, чем в рабочие дни недели.

При суточном и недельном регулировании стока в результате частых изменений расходов происходят колебания уровней воды на участке реки ниже водохранилища, которые прослеживаются на протяжении нескольких десятков километров. Таким образом, суточное и недельное регулирование стока являются характерной особенностью энергетического использования стока, и отличается от остальных видов регулирования. В этом случае происходит не выравнивание стока, а наоборот, повышение неравномерности его распределения во времени.

Такое регулирование стока создает затруднения для судоходства, так как при снижении уровней уменьшаются глубины, усложняется устройство и оборудование причалов и иногда нарушается график движения судов.

Для обеспечения суточного и недельного регулирования стока не требуется увеличение емкости водохранилища многолетнего или годичного регулирования.

По методу расходования (отдачи) воды из водохранилища различают два типа регулирования: с постоянной и переменной отдачей воды . На рис. 9.1 показаны несколько случаев запроектированного графика отдачи годичного регулирования: равномерный на протяжении всего года (рис. 9.1, а); равномерный с двумя ступенями в течение навигационного и зимнего периода (рис. 9.1, б); ступенчатый с максимумом расхода отдачи в летний (меженный) период (рис. 9.1, в).

Последний случай ступенчатого графика отдачи является типичным для компенсирующего транспортно-энергетического регулирования. При этом в межень, когда имеются минимальные бытовые расходы воды, отдача из водохранилища наибольшая. В зимний период из водохранилища подается лишь гарантированный расход турбины гидроэлектростанции, которая вырабатывает электрическую энергию. В период паводка зарегулированная отдача увеличивается только для покрытия потерь воды на испарение.

Во всех случаях площадь бытового гидрографа w 1 , расположенная выше графика отдачи, представляет собой объем водохранилища V B , а площадь w 2 , расположенная ниже графика отдачи, но выше бытового гидрографа – объем отдачи для обеспечения зарегулированных расходов воды Q З . Для того, чтобы такая отдача была возможна, необходимо соблюдение неравенства w 1 ³ w 2 , т.е. чтобы дефицит стока в летне-зимний период не превосходил избытка стока за период весеннего паводка.

Водохранилища, их классификация и характеристики

По гидрографическому признаку различают три типа водохранилищ: русловые , озерные и смешанные .

Водохранилище, которое образуется в результате преграждения течения реки плотиной и затопления речной долины, называется русловым (рис. 9.2, а). Такие водохранилища обычно имеют большую длину и площадь водного зеркала. Для создания в них больших запасов воды необходимо значительное повышение уровня воды.

Озерное водохранилище образуется в результате преграждения плотиной истока реки, вытекающей из озера (рис. 9.2, б). Вода при этом заполняет озерную чашу. В таких водохранилищах с большой площадью водного зеркала могут создаваться значительные запасы воды при сравнительно небольших повышениях уровня озера.

При возведении плотины несколько ниже истока реки, вытекающей из озера, образуется смешанное водохранилище, которое включает емкости чаши озера и прилегающей к нему долины реки (рис. 9.2, в).

Основными характеристиками любого водохранилища являются его емкость V и площадь водного зеркала F . При этом площадь водного зеркала водохранилища определяют планиметрированием горизонталей по топографическим картам на соответствующей отметке берегового откоса. Объем водохранилища вычисляется путем последовательного суммирования произведений средних площадей водного зеркала F i на приращение высоты уровня воды DZ

Характеристики водохранилища приводятся либо в табличной форме при четырех характерных уровнях воды (ФПУ – форсированный подпорный уровень, НПУ – нормальный подпорный уровень, УНС – уровень навигационной сработки и УМО – уровень мертвого объема), либо в виде кривых зависимости емкости V и площади водного зеркала F от изменения уровня воды в водохранилище (рис. 9.3). На кривые V и F =¦(Z) наносятся расчетные отметки ФПУ, НПУ, УНС и УМО.

Для нижнего бьефа водохранилища основной характеристикой является кривая связи между уровнями и расходами воды. Она строится по данным гидрометрических измерений за многолетний период, предшествующий возведению плотины, а затем корректируется, так как происходит размыв дна реки на участке ниже створа плотины.

При эксплуатации водохранилища, кроме полезного объема, используемого для народнохозяйственных целей, имеются бесполезные потери воды на испарение с водной поверхности водохранилища и на фильтрацию в грунт дна и берегов.

Потери на испарение возникают в результате затопления большой площади долины реки. Величина этих потерь P н определяется разницей между количеством воды, поступающей в атмосферу с водной поверхности водохранилища Z в и объемом воды, который раньше (до затопления) поступал в атмосферу с площади суши, занятой водохранилищем Z с

где: X – количество осадков, выпадающих на занимаемую водохранилищем площадь;

Y – сток воды с указанной площади.

Для определения Z в пользуются картой изолиний среднего многолетнего слоя испарения с водной поверхности, составленной по данным многолетних наблюдений на территории расположения водохранилища.

Непосредственный подсчет величины Z с затруднителен из-за большого разнообразия природной среды (района постройки водохранилища, рельефа местности, растительности и др.). Поэтому эта величина определяется косвенно, как разница между осадками и стоком воды.

Потери воды на испарение в Северо-Западной зоне обычно составляют 1-2 мм в год. В южных районах с засушливым климатом они существенно больше до 0,5-1,0 м и более в год, что учитывается при определении полезного объема водохранилища.

Потери воды из водохранилища на фильтрацию происходят через поры породы, слагающей чашу водохранилища, в соседние бассейны, а также через тело и различные устройства самой плотины в нижний бьеф реки. При этом последний вид потерь на фильтрацию является сравнительно малой величиной и обычно в водохозяйственных расчетах не учитывается.

Потери воды на фильтрацию через дно и берега водохранилища зависят от напора воды, создаваемого плотиной и гидрогеологических условий (пород, слагающих долину реки, их водопроницаемости, характера залегания, положения уровня и режима грунтовых вод).

Фильтрационные потери будут минимальными в том случае, когда ложе водохранилища сложено из практически водонепроницаемых пород (глина, плотные осадочные или массивные кристаллические породы без трещин), а уровень грунтовых вод на примыкающих к водохранилищу склонах расположен выше отметки нормального подпорного
уровня (рис. 9.4, а).

Большие фильтрационные потери наблюдаются у водохранилищ, дно и берега которых сложены трещиноватыми песчаниками, известняками, сланцами или другими водопроницаемыми грунтами, а уровень грунтовых вод на склонах расположен ниже отметки НПУ (рис. 9.4, б).

Наиболее значительная фильтрация из водохранилищ наблюдается в первые годы их эксплуатации. Это объясняется тем, что в период заполнения водохранилища происходит насыщение водой грунта, слагающего ложе, и пополнение запасов подземных вод. С течением времени фильтрация уменьшается и через 4-5 лет стабилизируется. Фильтрация воды из водохранилища через поры породы изучена слабо из-за большого количества определяющих факторов и сложности проведения гидрогеологических исследований. Поэтому часто для оценки таких потерь опираются на опыт эксплуатации уже действующих водохранилищ.

По приближенным нормативам при средних гидрогеологических условиях слой потерь воды из водохранилища на фильтрацию может составить от 0,5 м до 1,0 м в год.

Параметры водохранилища, характеризующие его размеры, устанавливают на основе водохозяйственного расчета. При этом полный объем воды в водохранилище принято подразделять на мертвый и полезный (рис. 1).

Рис. 1 План и схематический продольный профиль водохранилища

Мертвый объем (V умо) - это постоянная часть полного объема водохранилища, которая в нормальных условиях эксплуатации не срабатывается и в регулировании стока не участвует. Уровень поверхности воды, ограничивающий этот объем сверху, называют уровнем мертвого объема (УМО). Это минимальный уровень водохранилища, до которого возможна его сработка в условиях нормальной эксплуатации.

Полезный объем (Vп лз) - основной объем водохранилища, предназначенный и используемый для регулирования стока. Он ограничен сверху нормальным подпорным уровнем (НПУ), то есть наивысшим проектным подпорным уровнем верхнего бьефа, который может поддерживаться в нормальных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений, а снизу - УМО.

Полнный объем водохранилища соответствует отметке НПУ и равен сумме полезного и мертвого объемов:

V плн = V НПУ = V УМО + V плз. (1)

Подпорный уровень выше нормального, временно допускаемый в верхнем бьефе в чрезвычайных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений называют форсированным подпорным уровнем (ФПУ). Он ограничивает сверху объем воды, находящейся в водохранилище выше НПУ, который называют форсированным или резервным, объемом (V ФПУ).

Главная задача водохозяйственного расчета водохранилища является определение полезного и мертвого объемов, а также выбора НПУ и УМО.

Полезный объем водохранилища и соответствующий ему НПУ определяются в результате сопоставления технико-экономических показателей различный вариантов водохранилищ.

Мертвый объем V УМО и соответствующий ему УМО определяют ряд условий и соображений:

- прежде всего учитывается количество (или объем) транспортирующих с рекой наносов. В этих случаях мертвый объем необходим для аккумуляции твердого стока, чтобы предотвратить уменьшение полезного объема в течение расчетного срока службы водохранилища;

На водохранилищах, используемых для коммунально бытового водоснабжения и рыбного хозяйства, определяющим фактором для определения мертвого объема является санитарно-технические требования и условия обеспечения необходимого качества воды;

При транспортном использовании водохранилищ УМО определяют как минимадбный навигационный уровень, обеспечивающий необходимые глубины для судоходства;

На ГЭС УМО назначают из условия нормальной работы агрегатов гидростанций, в частности турбин;

Наконец, во избежании прогрева воды, зарастания водохранилищ и ухудшения гидрохимического и гидробиологического режимов в них в летнее время средняя глубина УМО должна быть не менее 2.0 - 2.5 м, а площадь мелководья с глубинами менее 2 м - не более 30% площади водохранилищ.

Таким образом, окончательно отметка УМО водохранилищ назначается с учетом требований всех водопользователей и водопотребителей.

Форсированный объем (V ф) создается за счет форсирования (повышения) уровня воды в водохранилище выше НПУ в период высоких паводков или половодья, чтобы предотвратить наводнения в нижнем бьефе. Поэтому его называют иногда противопаводковым. Отметка ФПУ зависит от максимальных расходов воды расчетной обеспеченности гидрографа половодья (паводка), размеров и типа сбросных сооружений.

Характеристики водохранилища. К основным характеристикам водохранилищ относят зависимость площади водной поверхности W и объема (V) воды в водохранилище от уровня Н или от глубины h в нем. Кривую

W = W (Н) или W = W (h) называют кривой площадей водной поверхности водохранилища;

кривую V=V(H) или V=V(h) кривой объемов.

Эти кривые называют батиграфическими кривыми.

Сначала стороится кривая площади водохранилища. Для этого используются крупномасштабные топографические карты. Площади водной поверхности водохранилоща W, соответствующие различным уровням воды Н, определяют путем планиметрирования площадей между отдельными горизонталями и створами плотины, замыкающими горизонталями у берегов. Далее используя зависимость W = W (Н) определяют объем водохранилища по формуле

где W i и W i+1 - площади водной поверхности, соответствующие уровням воды Н i и Н i+1 ,км 2 ; DH i, i+ 1 = H i+1 -H i приращение уровня, м.

Объем воды в водохранилище определяют путем последовательного суммирования частичных объемов DV i.

где W H,i , V H,i - площадь водной поверхности и объем воды в водохранилище при уровне Н i .

Критерии литорали (мелководья) определяют по формуле

Наряду с батиграфическими кривыми (рис.2),

Рис.2 Батиграфические кривые

также строят кривые зависимости H=H(v), W = W(v), h ср = h ср (v). Эти кривые называют объемными характеристиками водохранилища (рис.3).

рис. 3 Объемные характеристики водохранилища

В маловодные, засушливые годы расход воды в реках уменьшается, а потребность в воде для орошения и коммунального водоснабжения возрастает. Уменьшение расхода воды влечет за собой снижение выработки электроэнергии на ГЭС, ухудшение условий водоснабжения, снижение качества воды и другие неблагоприятные последствия. Сезонные колебания стока рек характеризуются резким уменьшением расходов воды в реках зимой, когда потребность в электроэнергии обычно наибольшая; потребность в воде для промышленного водоснабжения зимой обычно не уменьшается. Летнее снижение расходов воды неблагоприятно для орошения, судоходства и других водопотребителей и водопользователей.

Для наиболее полного и экономичного использования водных ресурсов и приспособления режима водоотдачи к потребностям различных отраслей народного хозяйства производят регулирование стока водохр анилищами.

ТИПЫ ВОДОХРАНИЛИЩ

Озера являются естественными водохранилищами. В естественных условиях озеро регулирует сток без участия человека. Максимальный расход реки, вытекающей из озера, в несколько раз меньше, а минимальный намного больше суммарного притока от рек, впадающих в озеро. Если при подпоре озера плотиной повысить его уровень или произвести расчистку русла реки в ее истоке, либо осуществить оба эти мероприятия, то регулирующая способность озера возрастет и можно будет повысить сверх естественного минимальный расход реки, вытекающей из озера.

Чаще всего приходится создавать искусственные водохранилища. Для создания водохранилища в русле реки строят плотину, которая подпирает реку. При этом затапливается пойма и прилежащая территория. При проектировании и строительстве водохранилищ обязательно всесторонне изучить все положительные и отрицательные последствия сооружения водохранилищ. При их размещении необходимо всемерно уменьшать площадь затопления ценных сельскохозяйственных земель. На равнинных реках площадь затопления может оказаться весьма большой. Так, например, площадь Куйбышевского водохранилища на Волге составляет 6450 км 2. На реках равнинного типа вследствие малого уклона реки водохранилища получаются большой протяженности - до 200-300 км. При пологих берегах ширина водохранилища достигает иногда 40-50 км. На горных реках вследствие большого уклона реки и крутых берегов большой объем водохранилища может быть получен только, при большой высоте плотины, что, однако, не вызывает больших затоплений территории.

В гидроэнергетике различают водохранилища по их местоположению относительно данной гидроустановки:

1) верховые, расположенные на реке или ее притоках выше данной гидроэлектростанции;
2) собственные, т. е. образованные сооружениями, входящими в состав данной ГЭС;
3) низовые, расположенные ниже данной ГЭС.

ОБЪЕМ ВОДОХРАНИЛИЩА

Нормальным подпорным уровнем (НПУ) называют тот наивысший уровень, на который по условиям устойчивости рассчитывается нормальная работа подпорных сооружений (рис. 3-1). НПУ может поддерживаться сколь угодно длительно.

Форсированным уровнем (ФПУ) называется уровень, который может допускаться на короткое время при пропуске исключительно больших паводков или половодий, имеющих вероятность ниже расчетной, которая была принята для нормальных условий эксплуатации.

Уровень наннизшей сработки (УС) водохранилища называют уровнем мертвого объема (УМО).

Объем воды в водохранилище между НПУ и УМО называют полезным или рабочим объемом. Объем воды ниже УМО обычно не используется для регулирования стока и его называют мертвым объемом.

Полный объем водохранилища при НПУ равен сумме полезного и мертвого объемов. Между отметками НПУ и ФПУ размещается резервный объем водохранилища, который используется для приема и трансформации половодий и паводков редкой повторяемости. Сумма рабочего, резервного и мертвого объемов дают полный объем водохранилища при ФПУ. Для определения объема водохранилища по топографическим планам местности планиметрируют площади между соответствующими горизонталями и створом плотины. По этим данным строится кривая площадей F = f(Z), показывающая зависимость площади зеркала водохранилища F от высотной отметки Z. Затем для каждого приращения отметок подсчитывается приращение объема А У и строится кривая зависимости V = f (Z), которая называется статической кривой объемов водохранилища (рис. 3-2). На равнинных реках с большими расходами строятся кривые свободной поверхности воды в водохранилище. Эти кривые подпора при одинаковом уровне воды у плотины будут иметь тем большую кривизну и тем более высокий уровень воды в конце кривой подпора, чем больше расход притока (рис. 3-3). В этих случаях получают кривую динамических объемов воды в водохранилище V = f (Z, Q).

В отдельных случаях учитывается, что пористые грунты берега и ложа водохранилища при подъеме уровня воды впитывают воду и отдают ее обратно при снижении уровня воды, что равносильно увеличению фактической емкости водохранилища.

Наибольший полный объем 205 км3 и наибольшую площадь зеркала 76 тыс. км2 имеет водохранилище Оуэн-Фолс, расположенное на территории Уганды, Кении и Танзании. Крупнейшим является водохранилище на р. Вольта (Гана), полный объем которого 148 и полезный объем 90 км3. По величине полезного объема на третьем месте в мире находится водохранилище Насер на р. Нил (Египет), созданное при технической помощи СССР. В табл. 3-1 приведены данные по крупнейшим водохранилищам СССР с полезным объемом более 10 км3.

ПОТЕРИ ВОДЫ ИЗ ВОДОХРАНИЛИЩ

Потери воды из водохранилища происходят вследствие испарения, фильтрации и оседания льда на берегах при зимней сработке водохранилища. Для ГЭС оказывается «потерянной» также вода, забираемая из ее верхнего бьефа на орошение, водоснабжение, шлюзование судов и т. п.

Испарение. С созданием водохранилищ увеличивается испарение. Полные потери испарения определяются произведением площади зеркала водохранилища Fв на толщину слоя испарившейся воды hB.

Как видно из табл. 3-2, удельные потери воды на дополнительное испарение в Средней Азии в 15 раз больше, чем на севере Европейской части СССР.

Из всех водохранилищ юга Европейской части СССР потери на дополнительное испарение из водохранилищ составляют в среднем более 10 км3 в год.

Фильтрация. Различают потери, воды вследствие фильтрации через тело плотины, под нею и в обход ее через толщу грунта и через неплотности затворов плотин и направляющих аппаратов турбин.

При сработке водохранилища в зимний период лед оседает на берегах. Весной лед тает и пополняет сток воды. Но для водохранилищ годичного регулирования пополнение стока весной обычно лишь увеличивает объем холостых сбросов через плотину. Таким образом, оседание льда на берегах представляет потери для энергетики.

Различают основные и специальные виды регулирования стока.

1. Основные виды регулирования

К основным видам регулирования стока относят многолетнее, годичное, недельное и суточное.

Многолетнее регулирование позволяет в маловодные годы увеличить расход воды и выработку электроэнергии гидростанциями за счет стока многоводных лет. При многолетнем регулировании водохранилище наполняется избыточным стоком многоводных лет и опорожняется в течение ряда маловодных лет. В многолетнем регулировании заинтересованы все водопотребители и водопользователи, но для его осуществления требуется большой объем водохранилища.

Для глубокого многолетнего регулирования необходим полезный объем водохранилища, равный одному - двум среднегодовым стокам реки. Частичное многолетнее регулирование возможно уже при емкости водохранилища порядка 50 % среднегодового стока.

Годичное регулирование перераспределяет сток в течение года в соответствии с потребностями водопользователей и водопотре- бителей. В многоводные сезоны водохранилище наполняется, а в мало-водные- опорожняется. Цикл регулирования составляет один год. Потребный объем в процентах от среднегодового стока составляет от 3-10 % при частичном до 40-60 % при полном регулировании стока.

Для энергетики большое значение имеют недельное и особенно суточное регулирование, производимые в соответствии с недельными и суточными колебаниями нагрузки энергосистем.

Суточное регулирование при сравнительно постоянном притоке воды обеспечивает неравномерное потребление воды гидростанцией, следуя суточным колебаниям нагрузки энергосистемы. Необходимый объем бьефа или бассейна суточного регулирования определяется расчетом (см. § 5-2). Примерный объем составляет от 5 до 10 % от суточной, пропускной способности всех турбин ГЭС. Если на гидростанции проводится только суточное регулирование, то цикл регулирования составляет одни сутки и к концу суток уровень воды в бьефе или бассейне возвращается к исходному положению. При суточном регулировании ГЭС покрывает пики суточного графика нагрузки.

Недельное регулирование позволяет повысить мощность и выработку энергии ГЭС в рабочие дни за счет снижения используемого стока в выходные дни, когда нагрузка в энергосистеме снижается. Для недельного регулирования требуется объем водохранилища 50- 100% от суточной пропускной способности всех турбин ГЭС.

2. Специальные виды регулирования

К числу специальных видов регулирования относят:

а) Компенсирующее регулирование, которое может производиться верховым водохранилищем для того, чтобы компенсировать неравномерность притока с промежуточного водосбора между створами водохранилища и ГЭС. При малом притоке с промежуточного водосбора даются повышенные попуски из компенсирующего водохранилища и наоборот. Если при большом водохранилище имеется своя ГЭС, то можно проводить компенсирующее годичное и даже многолетнее регулирование выработки электроэнергии нескольких; ГЭС, расположенных на разных водотоках, но присоединенных к общей электрической сети. Так, водохранилище Братской ГЭС производит компенсирующее регулирование выработки энергии Енисейскими и Ангарскими гидростанциями.

б) Трансформация паводков и половодий. Если в водохранилище будет задержана пиковая часть паводка, то максимальный расход, пропускаемый через плотину, будет уменьшен. Это позволит уменьшить водосбросные сооружения гидроузла, уменьшить наводнения на реке ниже водохранилища и т. п.

в) Аварийное использование водохранилища. При аварии в энергосистеме гидростанция может быстро принять на себя дополнительную нагрузку и израсходовать из своего водохранилища специально предусмотренный запас или часть рабочего объема водо-хранилища. После ликвидации аварии дополнительно израсходованный объем восстанавливается путем снижения нагрузки ГЭС или за счет ближайшего половодья.