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.
Методика определения полезной емкости зависит от масштабности проекта и степени ответственности сооружения, режима регулирования стока (сезонного или многолетнего) и стадии проектирования.
В данной работе примем балансовый метод для расчетного года 75% обеспеченности, то есть будем определять емкость водохранилища по разности интегральной кривой стока и водопотребления.
Для расчета используется таблица расчета исполнения водохранилища.
Табл.12. Динамика наполнения водохранилища при регулировании расчетного года
| Месяцы | Регулирование стока | Текущие наполнения на конец интервала | |
| + сработка | - наполнение | ||
| 19,64 | 19,11 | ||
| 114,68 | 133,79 | ||
| 11,2 | 145,01 | ||
| -16,09 | 128,92 | ||
| -17,96 | 110,96 | ||
| -16,07 | 94,89 | ||
| -15,28 | 79,61 | ||
| -14,77 | 64,84 | ||
| -14,36 | 50,48 | ||
| -15,1 | 35,38 | ||
| -16,69 | 18,69 | ||
| -18,69 |
Полезный объем водохранилища
Определение мёртвого объема водохранилища.
Мертвый объем водохранилища назначают из следующих соображений:
Заиление емкости водохранилища в результате отложения наносов должно произойти не раньше установленного периода (T заил = 50 лет);
В соответствии с санитарными требованиями глубина водохранилища должна быть не менее заданной отметки, которая устанавливается из условия предотвращения инфекционных заболеваний;
Недопущение полного промерзания емкости (h > 3м);
При наличии судоходства в ВБ глубина должна соответствовать требованию водного транспорта;
Так как в состав гидроузла входит ГЭС, напор, созданный при отметке МО должен обеспечивать проектную выработку электроэнергии и гарантированную мощность ГЭС.
Из всех видов емкостей выбирается максимальная.
Санитарный объем.
Принимается по величине попуска на разбавление
Объем заиления
Где S – среднемноголетний сток, S=457,27млн.м 3 ;
Мутность реки, кг/м 3 ;
r – доля влекомых насосов, r=0.04(0,05)
T заил – расчетный срок заиления водохранилища, Т заил =50лет;
– объемный вес отложений (насосов), =1100-1200кг/м 3
Требования ГЭС.
– отметка нижнего бьефа,
Для определения отметки нижнего бьефа при расходах нам необходима кривая расходов в нижнем бьефе.
Где t – среднее количество секунд в месяц, t = 2.63 млн.сек/мес;
W ГЭС i – объем воды для ГЭС за один месяц.
Следовательно, Н НБ =131,5 м
Находим объем ГЭС в верхнем бьефе
Для = 131,5 м получаем =113 млн.м 3
Общий обьем воды для ГЭС находим по формуле:
При получаем НПУ=168м.
Характерные емкости показаны на батиграфической кривой
Ак же наносим полный и мертвый объемы.
Уточняем площадь зеркала водохранилища при отметке НПУ =444м:
Выводы:
1. В проекте запроектирован ВХК в составе следующих участников: ГКБХ, СКБХ, промышленность, орошение, животноводство (КРС), рекреация, ТЭС, водный транспорт, рыбное хозяйство, ГЭС.
Проведен комплекс специальных водохозяйственных мероприятий по экономии водных и улучшению их качества (применили 5 методов управления):
1) Введение оборотной системы водоснабжения в промышленности;
2) Улучшение качества очистки сточных вод ГКБХ и рекреации;
3) Ограничение водопотребления в орошении и в животноводстве;
4) Снижение нагрузки на водный объект со стороны СКБХ, животноводства и орошения;
5) Повторное использование сточных вод животноводства на орошение;
6) Переброска части стока из смежного бассейна реки.
В результате расчетов ВХБ = 0,53 млн. м 3 . При этом снята необходимость многолетнего регулирования стока.
2. При расчете ВХБ в месячных интервалах времени наблюдаются дефициты воды в отдельные месяцы года (1,2,6,7,8,9,10,11,12), а в остальные месяцы (3,4,5) наблюдаются избытки воды.
3. Запроектировано водохранилище сезонного регулирования для снятия внутригодовых дефицитов водных ресурсов и повышения водообеспеченности с учетом санитарно-экологических требований.
4. В составе гидроузла предусмотрено водохранилище объемом W полн =179,9 млн. м 3 при отметке НПУ = 168 м, земляная плотина, высотой Н плот = 38 м, с открытым береговым водосбором и здание ГЭС руслового типа.
Список используемой литературы:
1. Комплексное использование и охрана природы. Под ред. В.В. Шабанова. – М.: Колос,1994.
2. Маркин В.Н., Раткович Л.Д., Соколова С.А. Разработка водохозяйственных мероприятий в бассейне реки. – М.: МГУП, 2011. 100 с.
3. Практикум по инженерной гидрологии и регулированию стока. Под ред. Е.Е. Овчарова. – М.: Колос, 1996.
4. Мелиорация и водное хозяйство. Т. 5. Водное хозяйство: Справочник / Под ред. Бородавченко И.И., - М.: Агропромиздат, 1988.
Водные богатства, которыми столь обильна наша страна, распределены по её территории не слишком равномерно.
В некоторых местностях наблюдается избыток водных ресурсов, в других же, наоборот, ощущается постоянный недостаток пресной воды. Но особенно чувствительными для хозяйственной деятельности являются сезонные колебания уровня рек. Чтобы снизить их влияние и сделать речной сток более равномерным, в предыдущем столетии была создана обширная сеть водохранилищ – искусственных водоёмов различной вместимости.
Что такое водохранилище?
Как понятно из названия, водохранилище – это искусственное сооружение, специально предназначенное для хранения воды. По своему размеру оно вполне сравнимо с крупным или средним озером: подавляющее большинство водохранилищ вмещают более миллиона кубометров воды, а крупнейшие из них имеют объём, превышающий 500 миллионов кубометров.
Они создаются, как правило, в путём перегораживания русла реки плотиной. Существуют, кроме того, водохранилища озёрного типа, когда избыток воды сбрасывается в озеро, а затем по мере необходимости поступает оттуда в речную систему или систему каналов.
Вода, находящаяся в водохранилище, не пребывает в полной неподвижности, как в озере, и сохраняет поступательное движение речного течения, однако оно существенно замедлено по сравнению с рекой. Кроме того, для водоёмов этого типа характерными являются:
— значительные сезонные колебания уровня воды, который повышается весной и осенью, постепенно снижаясь в течение зимнего и летнего сезонов;
— более холодная вода, чем в озёрах, из-за непрекращающегося течения;
— замерзание мелких водохранилищ раньше, а крупных – позже рек, причём таяние льда наблюдается позже, чем у рек, и в тех, и в других случаях;
Помимо чаши, в состав любого водохранилища обязательно входит дамба (плотина), которая устанавливается поперёк течения реки, а также станция очистки воды. Глубина дна возле дамбы, как правило, намного больше, чем возле противоположного дамбе берега.
Для чего нужны водохранилища?
В настоящее время водохранилища существуют во многих странах мира и на всех континентах, кроме Австралии.
Необходимость в них вызвана сезонными колебаниями уровня речной воды. В нашей стране во время весеннего половодья по руслам рек протекает, в зависимости от региона, до 70% общегодового стока речных вод.
В зимнюю и летнюю , напротив, ощущается резкий недостаток воды в реке, причём именно тогда, когда она необходима. Строительство водохранилищ позволило решить эту проблему: избыточная вода аккумулируется в водохранилище, а затем постепенно сбрасывается в реку, чем поддерживается её более-менее постоянный уровень.
Наличие водохранилищ оказывает позитивное влияние на хозяйственную деятельность человека. С их помощью:
— снижается риск наводнений, затопления жилых домов, сельхозугодий, промышленных предприятий и т.д.;
— улучшаются условия для плавания речного транспорта, появляется возможность эксплуатации крупных глубоководных судов, более рентабельных, чем мелкие;
— создаются каскады гидроэлектростанций для выработки дешёвой электроэнергии без загрязнения среды;
— создаются рыбоводческие хозяйства для разведения ценных пород речной рыбы;
— увеличивается пространство рекреационных зон.
В то же время существуют и негативные стороны создания водохранилищ, которые выражаются в нарушении сложившихся экосистем, затоплении большого количества пахотных земель, иногда даже с населёнными пунктами, из-за чего приходится переселять людей, в заболачивании территорий, расположенных выше плотины по течению реки и т.д.
Водохранилища: история и современность
Необходимость в строительстве водохранилищ человечество испытывало с тех пор, как вокруг оседлых поселений хлебопашцев начали складываться первые государства. Небольшие водохранилища существовали ещё в Древнем Египте: в них земледельцы запасали воду во время разлива Нила, а затем понемногу расходовали для орошения земель. Водохранилища существовали в древних Китае и Индии, а затем в средневековой Европе. Но лишь с приходом века пара и электричества энергию течения рек стали использовать в промышленном производстве.
Наибольшее число водохранилищ, существующих в настоящее время, были построены в 50-60-е годы ХХ века. Их сооружение продолжалось и позже, но уже не так активно. Сегодня во всём мире существует около 30 000 водохранилищ, общий объём воды в которых достигает 6 000 кубических километров.
В хозяйственной деятельности используется порядка 3500 кубических километров воды – количество, примерно равное десятой доле суммарного годового стока всех рек мира. При этом затоплению подверглись территории общей площадью до 350 000 квадратных километров.
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.
История строительства водохранилищ
Водохранилища – это искусственные водоемы, созданные для накопления и последующего использования воды и регулирования стока. Первые водохранилища появились на Земле более 4 тыс. лет назад. Их строили для целей орошения земель и борьбы с наводнениями в Древнем Египте, Месопотамии и Китае. Несколько позже началось сооружение водохранилищ в Индии, Сирии, Иране и Египте. Так, например, плотина Карнальбо, была построенная на р. Альбаррегас в Испании во II в. до н.э., а образовавшееся в результате водохранилище объемом в 10 млн. м 3 , существует до сих пор. А сасым древним на Земле является водохранилище с плотиной Садд-эль-Кафара, созданное в древнем Египте в 2950-2750 гг. до н.э. Имеются данные о строительстве водохранилищ ацтеками, майя и инками в доколумбовой Америке. К сожалению, большинство их было разрушено испанскими конкистадорами в XV-XVI вв.
В III-IX и особенно в XII-XIII вв. в Европе широкий размах приобрело строительство мельничных плотин с небольшими прудами-водохранилищами. В XVIII-XIX вв., в эпоху промышленной революции, небольшие водохранилища создавались при горнорудных предприятиях, металлообрабатывающих и лесопильных заводах, прядильно-ткацких фабрик, а также для водоснабжения.
Несмотря на тысячелетнюю историю строительства, водохранилища с полным основанием можно назвать порождением нашего века. Полный объем всех водохранилищ планеты, существовавших к концу XIX в., составлял всего 15 км 3 . Теперь же только одно Братское водохранилище на р. Ангаре имеет объем 169 км 3 , что в 11 с лишним раз превышает объем всех водохранилищ планеты, существовавших на рубеже двух веков.
По данным А. Б. Авакяна массовый и повсеместный характер создание водохранилищ приобрело за последние 50 лет, когда их число возросло на земном шаре в четыре раза, а суммарный объем увеличился в десять раз, в том числе в странах и – в 35 раз, – в 60 раз и Азии – в 90 раз. За это период были построены все самые крупные водохранилища нашей планеты.
Размещение и размеры водохранилищ.
Сейчас в мире эксплуатируется более 60 тыс. водохранилищ и ежегодно появляется несколько сот новых.. Их полный объем превышает 6,6 тыс. км 3 , а площадь водного зеркала – более 400 тыс. км 2 , а с учетом подпруженных озёр – 600 тыс. км 2 . Для сравнения это площадь пятнадцати Азовских морей.
Ежегодно в строй вступают от 300 до 500 новых водохранилищ. Многие крупные реки планеты – Волга, Ангара, Миссури, Kолорадо, Парана, Теннеси и др. – превращены в каскады водохранилищ. А по прогнозам ученых через 30-50 лет водохранилищами будет зарегулировано 2/3 речных систем Земли.
В водохранилища превращены некоторые озера (Байкал, Онежское, Виктория, Виннипег, Онтарио и др.) путем повышения уровня с помощью плотин, построенных вблизи истоков вытекающих из них рек.
Водохранилища имеются на всех континентах (кроме Антарктиды), во всех странах, во всех географических зонах (кроме арктической), во всех высотных поясах, вплоть до подножия горных ледников. Однако из-за многообразия природных и социально-экономических условий размещены они по территории земного шара и в пределах большинства государств очень неравномерно.
На территории Европы более 3 тыс. преимущественно небольших водохранилищ. Только в европейской части России, Финляндии, Норвегии, Испании, Греции есть водохранилища объемом более нескольких кубических километров. На территории Северной Америки (Канада, США, Мексика) имеется свыше 3 000 водохранилищ, а на территории Южной Америки их не более 500. На территории Азии, Африки и Австралии существует около 3 700 водохранилищ, самые крупные из них находятся в России, АРЕ, Гане, КНР, Родезии, Ираке и др.
Водохранилища существенно преобразовали ландшафт многих речных бассейнов. Их создание изменило не только облик самих рек, но и природу прилегающих территорий в общей сложности на площади 1,5 млн. км 2 , что равно суммарной площади таких европейских государств, как Франция, Испания, Великобритания и ФРГ.
Хотя водохранилища созданы и эксплуатируются человеком, развиваются они по законам природы, воздействуют на нее, неразрывно с нею связаны и являются ныне ее неотъемлемой частью.
Главная цель создания водохранилищ – регулирование речного стока. Они строятся в основном в интересах энергетики, ирригации, водного транспорта, водоснабжения, лесосплава, рыбного хозяйства, в рекреационных целях и в целях борьбы с наводнениями. Для этого в водохранилищах аккумулируется сток в одни периоды года и отдается накопленная вода – в другие.
Среди показателей, характеризующих размеры водохранилищ наиболее важны объем и площадь водного зеркала, поскольку именно этими параметрами определяется в значительной степени воздействие на окружающую среду. Площадь, объем и глубина водохранилищ колеблются в широких пределах. Площадь изменяется от 1-2 км 2 до 5 740 км 2 (Братское) и 8 480 км 2 (Вольта), объем – от 1 млн. м 3 до 169,3 млрд. м 3 (Братское) и 204,8 млрд. м 3 (Виктория), глубина – от нескольких до 300 м и более: Вайонт (262 м) в Италии, Гранд-Диксанс (284 м), Швейцарии, Нурекское (300 м) и Рогунское (306 м) в Таджикистане.
По величине площади водохранилища классифицируются на крупнейшие (с площадью водного зеркала более 5000 км 2), очень крупные (5000-500 км 2), крупные (5000-100 км 2), средние (100-20 км 2), небольшие (20-2 км 2) и малые с площадью зеркала воды менее 2 км 2 . Совсем малые водохранилища, создаваемые на мелких звеньях гидрографической сети, называют прудами, а в земляных выемках – копанями.
Крупнейших водохранилищ (без учета озер-водохранилищ) это водохранилища-гиганты: Вольта, Братское Кариба, и Насер. Очень крупные водохранилища составляют около 1 % всех водохранилищ, крупные – 5 %, средние – 15 %, небольшие – 35 % и малые – 44 %. Как видим, основная масса искусственных водоемов представлена небольшими и малыми водохранилищами.
К наиболее глубоким водохранилищам, помимо упомянутых выше, относятся Барука (260 м) – в Коста-Рике, Мика (235 м) – в Канаде, Саянское (220 м) – в России. Наибольший объем воды имеют такие гиганты, как Братское водохранилище (169 км 3), Кариба (160 км 3), Насер (157 км 3), Вольта (148 км 3), Гури (135 км 3), Красноярское и Вади-Тартар (по 73 км3). К наиболее протяженным относятся следующие водохранилища: Куйбышевское (650 км), Братское (565 км), Волгоградское (540 км) и Насер (500 км).
Крупнейшие водохранилища мира.
| Водохранилище (река, озеро) | Страна | Объем полный, км 3 | Объем полезный, км 3 | Площадь полная, км 2 | В т.ч. площадь подпруженного озера, км 2 | Напор, м | Год заполнения |
| Виктория [Оуэн-Фолс] (Виктория Нил, оз. Виктория) | Уганда, Танзания, Кения | 205 | 205 | 76000 | 68000 | 31 | 1954 |
| Братское (Ангара) | Россия | 169 | 48,2 | 5470 | – | 106 | 1967 |
| Кариба (Замбези) | Замбия, Зимбабве | 160 | 46,0 | 4450 | – | 100 | 1963 |
| Насер [Садд-эль-Аали] (Нил) | Египет, Судан | 157 | 74,0 | 5120 | –td> | 95 | 1970 |
| Вольта (Вольта) | Гана | 148 | 90,0 | 8480 | – | 70 | 1967 |
| Красноярское (Енисей) | Россия | 73,3 | 30,4 | 2000 | – | 100 | 1967 |
| Зейское (Зея) | Россия | 68,4 | 32,1 | 2420 | – | 98 | 1974 |
| Усть-Илимское (Ангара) | Россия | 59,4 | 2,8 | 1870 | – | 88 | 1977 |
| Куйбышевское (Волга) | Россия | 58,0 | 34,6 | 5900 | – | 29 | 1957 |
| Байкальское [Иркутское] (Ангара, оз. Байкал) | Россия | 47,6 | 46,6 | 32970 | 31500 | 30 | 1959 |
| Вилюйское (Вилюй) | Россия | 35,9 | 17,8 | 2170 | – | 68 | 1972 |
| Волгоградское (Волга) | Россия | 31,4 | 8,2 | 3115 | – | 27 | 1960 |
| Онтарио [Ирокуэй] (р. Св. Лаврентия, оз. Онтарио) | Канада, США | 29,9 | 29,9 | 19560 | 19500 | 23 | 1958 |
| Саяно-Шушенское (Енисей) | Россия | 29,1 | 14,7 | 633 | – | 220 | 1987 |
| Рыбинское (Волга) | Россия | 25,4 | 16,7 | 4550 | – | 18 | 1949 |
| Колымское (Колыма) | Россия | 14,6 | 6,5 | 440 | – | 117 | 1983 |
| Онежское [Верхнесвирское] (Свирь, оз. Онежское) | Россия | 13,8 | 13,1 | 9930 | 9700 | 17 | 1952 |
| Саратовское (Волга) | Россия | 12,4 | 1,8 | 1830 | – | 15 | 1968 |
| Каиское (Кама) | Россия | 12,2 | 9,2 | 1915 | – | 21 | 1956 |
Данные по А. Б. Авакяну, В. Р. Салтанкину, В. А. Шарапову, В. Н. Михайлову, А. Д. Добровольскому, С. А. Добролюбову.
Площади водохранилищ и другие морфометрические элементы сильно меняются при наполнении и сработке уровня воды. Так, площади Куйбышевского, Рыбинского и Цимлянского водохранилищ сокращаются в 1,5-2 раза при максимальном снижении уровней по сравнению с наивысшим проектным уровнем, что, естественно, отражается на изменении их гидрологического режима, преобразовании берегов и дна котловины.
Амплитуда колебаний уровня воды в разных водохранилищах изменяется также в широких пределах – от нескольких десятков сантиметров для равнинных водохранилищ до многих десятков и более 100 м для горных водохранилищ.
Чрезвычайно многообразна форма акваторий водохранилищ. Преобладают водохранилища вытянутой формы с более или менее извилистой береговой линией, но немало также водоемов простой (округлой, овальной) и очень сложной (корневидной, вилообразной, многолопастной и др.) формы.
В странах СНГ в настоящее время насчитывается свыше 4 тыс. водохранилищ объемом более 1 млн м 3 . Их суммарный полный объем превышает 1 200 км 3 , площадь зеркала составляет 87 тыс. км 2 (т;е, больше территории Австрии), а с учетом подпруженных озер – 145 тыс. км 2 . На водохранилища России приходится около 15 % их общего количества в мире и 20 % объема площади. Длина береговой линии водохранилищ превышает длину береговой линии морей, омывающих нашу страну. На берегах водохранилищ проживает 20 млн. человек.
Первые, существующие и поныне, небольшие водохранилища были сооружены в конце XVII – начале XVIII в Карелии, Центральном районе и на Урале. Со второй половины XIX в. водохранилища стали строить на Украине, в Прибалтике, Туркмении и др. Первое водохранилище на Волге, Верхневолжский бейшлот, было создано более 150 лет назад, в 1843 г. Тогда в верховье Волги соорудили плотину, единственным назначением которой было задерживать весенние воды и затем летом спускать их, чтобы увеличить судоходные глубины на Верхней Волге до Рыбинска.
Наиболее интенсивно создание и наполнение водохранилищ происходило в послевоенные годы: в 1955-1960 гг., в 1965-1970 гг. и в 1975-1980 гг. В первый период суммарный объем водохранилищ увеличился на 218 км 3 , во второй – на 338 км 3 и в третий – на 178 км 3 (Авакян).
Большинство крупных и средних водохранилищ имеют комплексное назначение, т.е. удовлетворяют потребности одновременно нескольких отраслей народного хозяйства (энергетики, орошения, водного транспорта, водоснабжения). Малые водохранилища зачастую создаются для решения одной конкретной задачи – либо для энергетических целей, либо для целей орошения и т.д.
По территории России водохранилища размещены неравномерно. Велик удельный вес суммарного объема (45 %) и площади водного зеркала (более 35 %) водохранилищ Восточной Сибири и Дальнего Востока). Большие объемы воды заключены в горных водохранилищах Средней Азии (при относительно малой их площади), в предгорных Казахстана (на реках Иртыше и Или), в водохранилищах Волжско-Камского каскада.
В центральных и северных районах европейской части России водохранилища создаются, как правило, для энергетики и водного транспорта; на Северном Кавказе – для решения задач энергетики и орошения; в южных засушливых районов – в первую очередь для орошения; в Сибири – для энергетики и водного транспорта, а на Дальнем Востоке – еще и борьба с наводнениями.
В целом водохранилища создаются для решения определенных народохозяйственных целей, а развиваются по природным законам.
