Ли водохранилище. Категории искусственных резервуаров
На территории России построено более ста крупных объектов - искусственно созданных с помощью плотин скоплений воды. В данной статье рассмотрим подробно, что такое водохранилище, его основные характеристики, роль влияния на экологию.
Водохранилище - что это?
Что такое водохранилище? Это компонент ландшафта, искусственно созданный человеком. Гидрологический речной режим регулируется в соответствии с необходимыми требованиями. Использование накопленных вод в водохранилище определяется хозяйственными потребностями.
Роль искусственных водоемов
Россия занимает огромные площади континента Евразия. Ее территории простираются от берегов Северного Ледовитого океана до южных степей и пустынь. Не везде есть обилие рек и озер, полностью удовлетворяющих запросы человека. Народное хозяйство требует больших расходов пресной воды. Искусственные водоемы с давних пор использовались для бытовых нужд населения и орошения посевов. Древнейшим рукотворным резервуаром считается египетский Садд-эль-Кафара, построенный еще до нашей эры. С начала XX века сооружение таких водоемов стало повсеместным. Сейчас на планете более 60 тысяч искусственно созданных водоемов. Крупнейшими водохранилищами в мире признаны Насер в Египте на реке Нил, Вольта в Гане, в России Куйбышевское на Волге и Братское на Ангаре.
Назначение
Суммарная площадь всех водоемов мира, созданных человеком за всю историю, - более 400 тысяч квадратных километров. Большинство водохранилищ расположено в Европе, Азии и Северной Америке. Что такое водохранилище для людей, кроме больших запасов воды, используемых для основных бытовых и хозяйственных потребностей? Эксплуатация искусственных водоемов позволяет более разумное применение водных ресурсов - накопленные применяют для орошения почвы, водоснабжения населения и промышленности, гидроэнергетики и транспортных путей. Также используются с целью предотвращения наводнений.
Часто водохранилища - это излюбленные места отдыха и рыбной ловли. Однако, несмотря на положительный экономический эффект, строительство плотин нередко вызывает негативные последствия, влияющие на экологию сопредельных территорий.
Категории искусственных резервуаров
Водохранилища могут подразделяться по нескольким признакам:
- структура;
- местонахождение в речном бассейне;
- способ заполнения;
- степень регулирования уровня воды;
- географическое расположение.
По характеру ложа водохранилища делятся на:
- Долинные - долины, перегороженной плотиной, является ложем. Направление уклона дна от верхней части к плотине - основной признак, определяющий это водохранилище. Глубина увеличивается к плотине. Могут быть русловые и пойменно-долинные.
- Котловинные - расположены в изолированных от моря с помощью дамб низинах.
По месту в речном бассейне:
- Верховые.
- Низовые.
- Каскад - ступенчатая система на речном русле.
По наполняемости водой:
- Наливные.
- Запрудные.
По характеру регулирования уровня воды:
- Многолетний - заполнение ложа может происходить в течение нескольких лет.
- Суточный - уровень регулируется постоянно.
- Сезонный - сброс воды происходит в определенное время года. Сезонные стоки применяются в целях искусственного орошения сельскохозяйственных земель в весенне-летний период и снижения возможной опасности наводнения.
Зимние понижения уровня опасны для растительного и животного мира созданного с помощью плотины водоема. В случае если сезонный сток происходит на водохранилище зимой, пласты льда, оседающие на осушенное дно, придавливают большое количество рыбы.
По географическому положению:
- Равнинное - широкое водохранилище, высота уровня воды не больше 30 метров.
- Горное - величина повышения уровня может достигать более 300 метров.
- Предгорное - показатели находятся в пределах 100 метров.
- Приморское - напор несколько метров, сооружают в морских заливах.
Что такое водохранилище для рыбака и туриста?
Изменение русла реки оказывает негативное влияние на нерест рыбы. Вследствие изменения кормовой базы и мест скопления популяций постепенно беднеет видовой состав. Ценные породы исчезают. Однако рыбная ловля на водохранилище зачастую бывает удачной.
Крупные водохранилища характеризуются собственным микроклиматом. Нередко крупные пресные резервуары называют морем. На открытом водном зеркале возникают волны, которые из-за отсутствия естественных препятствий в виде островов отличаются большой высотой. Не только жители окрестных берегов предпочитают отдых на водохранилище, живописные ландшафты и богатая фауна привлекают многочисленных туристов и путешественников.
Влияние на окружающую природу
Строительство водохранилищ может неблагоприятно повлиять на природные условия окружающей местности. Самые серьезные негативные последствия строительства крупных водохранилищ - затопление земель, подъем уровня грунтовых вод, заболачивание прибрежных зон. Общая площадь территорий, ушедших под воду, - приблизительно 240 тысяч квадратных километров. Заиление водохранилищ представляет собой процесс формирования крупных наносов на дне, приводит к уменьшению уровня воды. Также предполагается, что дополнительная нагрузка в виде массы накопленных объемов воды может привести к повышению уровня сейсмичности.
Сооружение водохранилищ влечет множество разнообразных последствий. В процессе создания и эксплуатации плотин следует тщательно планировать строительство и учитывать экологические прогнозы.
Полезный объем Wплз. нетто водохранилища уточняем, имея потерю воды из водохранилища на испарение, фильтрацию и льдообразование. Для этого предварительно определяем полный объем водохранилища Wср в каждом месяце и площадь щср.
Так, полный объем водохранилища
W = Wплз. нетто + Wмо,
где Wмо - мертвый объем водохранилища.
В связи с тем, что данные о мутности воды в задании отсутствуют, мертвый объем вычисляем ориентировочно. Допустим, что
Wмо? 0.1· Wплз. = 0.1·7.484 = 0.7484 млн. м3.
Значения полного объема записываем в графу 2 табл.3.
Затем определяем средние за месяц объемы водохранилища Wср, с которым с помощью топографических характеристик находим площадь зеркала щ.
Потери на испарение вычисляем за каждый месяц по формуле
где hи - слой испарения.
Результаты вычислений заносим в графу 6 табл.3.
Потери на фильтрацию Wф в каждом месяце находим по формуле
Wф = щi·kф·ni,
где kф = 0.003 м/сут,
ni - число дней в месяце.
Результаты заносим в графу 7 табл.3.
Потери на льдообразование
Wл = 0.9·kл· hл·(щн - щк),
где 0.9 - относительный вес льда;
kл - коэффициент постепенного нарастания толщины ледяного покрова, равный примерно 0.65;
hл - среднемноголетняя толщина льда к концу ледостава;
щн и щк - площадь зеркала водохранилища в начале и конце ледостава.
Распределяем объем потерь Wл на зимние месяцы (графа 8 табл.3), а затем находим сумму потерь воды (графа 9 табл.3).
С учетом этих потерь избытки уменьшатся, а недостатки увеличатся (графы 11 и 12 табл.3), поэтому полезный объем брутто составит
Wбр = 9.578 млн. м3.
Сброс соответственно уменьшится: 16.348 млн. м3
Тогда полный объем водохранилища составит
Wполн = Wмо + Wфр + Wфр = 0.7484 + 9.578 + 0 = 10.326 млн. м3.
Характерные уровни и емкости водохранилища
Основными характеристиками водохранилищ являются:
нормальный подпорный уровень НПУ, м;
уровень мёртвого объема УМО, м;
катастрофический подпорный уровень КПУ, м;
полный объем водохранилища W, млн. м3 или км3;
полезный объем водохранилища Wплз, млн. м3 или км3;
мертвый объем водохранилища Wмо, млн. м3 или км3;
объем форсировки водохранилища Wфс, млн. м3 или км3;
коэффициент емкости водохранилища в= Wплз/Wо,
где Wо - средний многолетний сток.
НПУ - уровень воды, до которого водохранилище заполняется в нормальных условиях.
Полный объем водохранилища W - объм, заключенный между дном чаши водохранилища и зеркалом воды на отметке НПУ. Полный объем W не целиком используется для регулирования стока. Нижняя часть водохранилища, предназначенная для поддержания минимальных уровней воды и осаждения в ней наносов, называется мертвым объемом Wмо и сработке не подлежит.
Объем водохранилища, заключенный между поверхностями воды на отметках НПУ и УМО, называется полезным объемом -- Wплз. В периоды многоводья он заполняется, а в периоды маловодья опорожняется. Объем, заключенный между поверхностями воды на отметках НПУ и КПУ, называется объемом форсировки. КПУ -- катастрофически подпертый уровень в период пропуска через гидроузел исключительно многоводных половодий или паводков. Объем, форсировки Wфс служит для уменьшения величины сбросных расходов через гидроузел.
Рисунок 2. Основные элементы водохранилища
Образование водохранилища вызывает изменения в режиме водотока. В верхнем бьефе эти изменения в основном сводятся к следующему:
повышаются уровни воды и увеличиваются глубины, чтосвязано с затоплением территории в пределах чаши водохранилища;
уменьшаются скорости течения, в результате чего происходит выпадение значительной части осадков;
увеличивается водное зеркало, в связи с чем происходит увеличение испарения, что ведет к повышению солености воды в водохранилище.
В нижнем бьефе происходят такие изменения: уменьшаются половодные и паводковые расходы и увеличиваются меженние; и происходит размыв русла ниже гидроузла. Кроме указанных изменений в водотоке в верхнем бьефе происходят следующие: затопление территории в пределах чаши водохранилища; подтопление прилегающих к водохранилищу земель и обрушение берегов водохранилища под воздействием волн.
Кроме постоянного затопления земель, занятых водохранилищем в пределах НПУ, хозяйственное использование которых невозможно, наблюдаются временные затопления территории выше НПУ во время катастрофических половодий и паводков, от нагона воды ветром на берега и от подъема уровней воды при заторах и зажорах. Хозяйственное использование временно затопляемых земель возможно. При подтоплении происходит подъем грунтовых вод, что резко ухудшает условия хозяйственного использования земель и требует осушительных мероприятий.
Характерные уровни воды и их отметки находим, используя топографические характеристики водохранилища:
НПУ, соответствующий наполнению Wполн = 10.326 млн. м3, на отметке НПУ = 131.8 м плотины равен
НПУ = НПУ - ПП = 131.8 - 120.0 = 11.8 м;
Уровень мертвого объема на отметке УМО = 121.2 м равен
УМО = УМО - ПП = 121.2 - 120.0 = 1.2 м;
Форсированный подпорный уровень ФПУ равен
ФПУ = НПУ + 2.0 = 13.8 м,
где ПП - отметка подошвы плотины.
Неравномерность распределения речного стока по территории, его внутригодовая и многолетняя изменчивость затрудняют удовлетворение потребностей населения и народного хозяйства в необходимом количестве воды. Особенно остро это проявляется в маловодные годы и сезоны. Решение проблемы осуществляются за счет регулирования стока рек водохранилищами и прудами.
Водохранилище – это искусственный водоем, предназначенный для регулирования речного стока, т.е. перераспределения во времени, с целью его более эффективного использования для нужд народного хозяйства.
Крупные водохранилища имеют, как правило, комплексное (многоцелевое) назначение: гидроэнергетика, водоснабжение, водный транспорт, рекреация, защита от наводнений. Наиболее эффективное использование водных ресурсов обеспечивает каскад водохранилищ, работающих в единой системе.
Малые водохранилища и пруды используются для водообеспечения населения и отдельных отраслей промышленности или сельского хозяйства.
На земном шаре создано более 2500 крупных водохранилищ с объемом более 100 млн. км 3 каждое. Большинство из них расположено в Северной Америке (36% или около 900). В России таких водохранилищ примерно 100, самые крупные из них – Братское, Красноярское, Зейское.
Система водохранилищ на реке называется каскадом.
Водохранилища могут быть подразделены на типы по характеру ложа, способу его заполнения водой, географическому положению, месту в речном бассейне, характеру регулирования стока.
По строению котловины водохранилища делятся на:
· речного типа или долинные, ложем является часть речной долины. Они отличаются вытянутой формой и увеличением глубин от верхней части к плотине.
· Озерного типа или котловинные, это подпруженные, т.е. зарегулированные, озера и водохранилища, расположенные в изолированных низинах и впадинах, в отгороженных от моря заливах, лиманах, а также в искусственных выемках.
По способу заполнения водой водохранилища делят на:
· Запрудные, когда их наполняет вода водотока, на котором они расположены
· Наливные, когда вода в них подается из рядом расположенного водотока или водоема.
По географическому положению:
· Горные, сооружаемые на горных реках, обычно узкие и глубокие и имеют напор, т.е. величину повышения уровня воды в реке в результате сооружения плотины до 300 м и более
· Предгорные, имеют высоту напора 50-100 м
· Равнинные обычно широкие и мелкие, высота напора не более 30 м.
По характеру регулирования стока:
· Многолетнего регулирования (перераспределение стока между мало- и многоводными годами)
· Сезонного (перераспределение стока внутри года между мало- и многоводными сезонами)
· Недельного (перераспределение стока в течение недели)
· Суточного регулирования (перераспределение стока в течение суток)
Характер регулирования стока определяется назначением водохранилища и соотношением полезного объема водохранилища и величины стока воды реки.
Формы и размеры водохранилищ характеризуются теми же морфометрическими характеристиками, что и озера. Они также зависят от степени наполнения водоема и «привязываются» к определенному значению уровня воды, но, в отличие от озер, уровень воды в водохранилище регулируется и ход уровня определяется характером регулирования.
При проектировании водохранилищ для каждого из них устанавливаются (задаются) уровни, соответствующие определенным фазам гидрологического режима, так называемые проектные уровни.
· Нормальный подпорный уровень НПУ, уровень который достигается к концу периода наполнения в средний по водности год и может поддерживаться плотиной длительное время
· Форсированный подпорный уровень ФПУ, который возникает в редких случаях, например, во время высокого половодья или паводков, удерживается в течение короткого времени, превышает НПУ на 0,5-1 м
· Уровень сработки. К уровням сработки относятся: уровень ежедневной (диспетчерской) сработки, которая достигается при нормальной эксплуатации водохранилища; уровень наибольшей сработки, который достигается только в маловодные годы
· Уровень мертвого объема УМО, предельно возможное снижение уровня воды в водохранилище, сработка ниже которого невозможна. Объем водохранилища, находящийся ниже УМО, называется мертвым объемом .
Объем, находящийся между УМО и НПУ, называют полезным объемом водохранилища ПО.
Сумма полезного и мертвого объемов дают полный объем или емкость водохранилища.
Объем, заключенный между НПУ и ФПУ, называют резервным объемом .
По морфометрическим особенностям котловины выделяют характерные участки:
ü Нижний – приплотинный (всегда глубоководный);
ü Средний – промежуточный (глубоководен только при высоких уровнях);
ü Верхний – мелководный (расположенный в пределах затопленного русла и поймы);
ü Участок выклинивания подпора.
Границы условны и зависят от амплитуды колебаний уровня
Водохранилища представляют собой искусственные объекты, они созданы при возведении водонапорных конструкций (плотин), устанавливаемых в долинах крупных рек, чтобы накопить и сохранить большие объемы воды, они решают ряд таких проблемы как:
- Развитие гидроэнергетики;
- Водоснабжение;
- Развитие судоходства;
- Хозяйственное орошение;
- Борьба с наводнениями;
- Благоустройство территории.
Бывают озерного и речного типа. На территории России построено много водохранилищ (из них 41 - крупнейшие, 64 - крупные, 210 - средние и 19о7 - малые), большинство во второй половине ХХ века, некоторые из них входят в число самых больших водохранилищ мира.
Крупные водохранилища России
Самыми крупными по площади водохранилищами в России являются Куйбышевское (Самарское), Братское, Рыбинское, Волгоградское, Красноярское (входят в первую десятку мира), Цимлянское, Зейское, Вилюйское, Чебоксарское, Камское.
Куйбышевское (Самарское водохранилище), его площадь 6,5 тыс. км 2 , - это самое большое водохранилище, построенное на реке Волге в 1955-1957 годах и третье по площади водохранилище в мире. Нижнюю часть еще называют Жигулевским морем, по названию построенной вблизи Жигулевской ГЭС на Жигулевских горах вблизи города Тольятти. Название водохранилищу дал город Самара (Куйбышев с 19135 по 1991 год), расположенный вниз по течению. Основным предназначением водохранилища является производство электроэнергии, улучшение качества судоходства, водоснабжение, орошение, рыболовство...
Братское водохранилище (площадь 5,47 тыс. км 2) расположенное в Иркутской области на реке Ангаре является вторым по объему хранящейся воды водохранилищем в мире (169 м 3). Оно было построено в1961 -1967 гг. (в 1961 была поставлена плотина, до 1967 года велось наполнение водохранилища водой) в результате строительства Братской ГЭС. Названо в честь города Братска административного центра Иркутской области, построенного на его берегах. Водохранилище используют для генерирования электроэнергии, в судоходстве и промысловой добыче рыбы, для сплава древесины, водоснабжении и ирригации...
Рыбинское водохранилище площадью 4,6 тыс. км 2 , входит в состав Рыбинского гидроузла на реке Волге и её притоках Шексна и Молога на северо-западе Ярославской области, частично на территории Вологодской и Тверской областей. Строительство было начато в 1935 году на месте древнего ледникового озера, планировалось, что это будет самое крупное в мире озеро искусственного происхождения. Наполнение чаши длилось до 1947 года, для это было затоплено почти 4 тыс. км 2 окружающих лесов и было переселено население 663 поселков и деревень (133 тыс. человек) вокруг города Мологи. Водохранилище используется для работы Волжского каскада ГЭС, ловли рыбы и судоходства...
Строительство Волгоградского водохранилища длилось с 1958 по 1961 год, оно возникло при возведении плотины Волгоградской ГЭС на реке Волге (территория Саратовской и Волгоградской областей). Его площадь - 3,1 тыс. км 2 , на его берегах построены такие города как Саратов, Энгельс, Маркс, Камышин, Дубовка. Используется для производства электроэнергии, перемещения водных видов транспорта, орошения и водоснабжения...
Цимлянское водохранилище появилось после возведения плотины на реке Дон, город Цимлянск в Ростовской и Волгоградской областях (67 % площади) в 1952 году. Его заполнение длилось по 1953 год, начало строительства - 1948 год. Его площадь - 2,7 тыс. км 2 , имеет вид котловины с тремя расширениями для устьев таких рек как Чир, Аксай Курмоярский и Цимла, также помимо них сюда впадает еще 10 рек. Используется для обеспечения транзитного судоходства по Волго-Донскому каналу, орошение засушливых прилегающих земель, работа Цимлянской ГЭС. Также на берегу водохранилища функционирует Ростовская АЭС, находятся города-порты - Волгодонск, Калач-на-Дону...
Строительство Зейского водохранилища площадью 2,4 тыс. км 2 длилось с 1974 по 1980 год. Оно построено на реке Зея (Амурская область РФ) в результате возведения плотины. По объёмам хранящейся там воды (68,4 км 3) - это третье место после Братского (169 км 3) и Красноярского (73,3 км 3) водохранилищ. Здесь ведется промысловая добыча рыбы, работает Зейская ГЭС, также водохранилище регулирует сток Амура, который подвержен влиянию тихоокеанских муссонов...
Вилюйское водохранилище находится на реке Вилюй (приток Лены), оно появилось в результате возведения плотины Вилюйской ГЭС в 1961-1967 годах. Оно расположено в Якутии на границе с Иркутской областью, его площадь - 2,36 тыс. км 2 , используется с целью регулирования годового стока реки Вилюй, как источник водоснабжения, орошения, для судоходства и рыбного промысла...
Чебоксарское водохранилище на реке Волга (территория Республики Марий Эл, Чувашской Республики и Новгородской области) является частью Волго-Камского каскада ГЭС. Площадь - 2,1 тыс. км 2 , оно появилось в результате возведения плотины Чебоксарской ГЭС, строительство которой велось с 1980 по 1982 год. Используется для производства электроэнергии, рыболовства, теплоходного судоходства...
Камское водохранилище образовано на реке Каме в Пермском крае РФ при строительстве Камской ГЭС, которая вступила в эксплуатацию в 1954 году после возведения плотины. Его площадь - 1,9 тыс. км 2 , на его берегах расположена Пермская ГРЭС. Также на так называемом Камском море каждый год проходит парусная регата «Кубок Камы» - крупнейшее спортивное состязание на территории Пермского края...
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
