Водохранилище
Водохрани́лище, искусственный водоём, созданный для накопления и последующего использования воды и регулирования стока. Большинство водохранилищ образовано в долинах рек при сооружении гидроузлов, состоящих из плотин и водопропускных устройств (водоводов, водосливов, шлюзов) с затворами, при помощи которых регулируется расход сбрасываемой через гидроузел воды.
Древнейшие водохранилища для обеспечения водой населения и сельского хозяйства, обнаруженные по остаткам плотин, существовали в Египте около 3 тыс. лет до н. э., а одним из первых считается водохранилище с плотиной Садд-эль-Кафара (2970–2750 гг. до н. э.). Из действующих гидроузлов самый старый в мире – Хомс, сооружённый в 1304 г. до н. э. на реке Эль-Аси (Оронт), – находится на территории современной Сирии у г. Хомс с питьевым водохранилищем объёмом 0,2 км3. В России старейшее водохранилище Алапаевское создано в 1704 г. на Урале на реке Нейва (в месте впадения в неё реки Алапаиха) при строительстве металлургического завода. Развитие в 20 в. гидроэнергетики, ирригации и водного транспорта привело к быстрому увеличению числа крупных водохранилищ. В 2020-х гг. в мире насчитывается свыше 60 тыс. водохранилищ, общая площадь которых более 400 тыс. км2 (с учётом подпруженных озёр – 600 тыс. км2), суммарный полный объём 6,6 тыс. км3. В России, по оценкам К. К. Эдельштейна, более 2,250 тыс. водохранилищ.
Водохранилища создаются для решения одной, нескольких или комплекса проблем регионов, основные из которых – водоснабжение (питьевое, коммунально-бытовое, промышленное), энергетика, ирригация, водный транспорт, борьба с наводнениями, рыбное хозяйство, рекреация, и рассчитываются на накопление воды в период наполнения и сброс в период сработки. Большинство водохранилищ становятся водоёмами комплексного использования несколькими отраслями водного хозяйства и создаются различных размеров как по площади водного зеркала, так и по объёму. В России и большинстве стран мира водохранилищами, в отличие от прудов, считаются искусственные водоёмы ёмкостью более 1 млн м3 (например, водоём площадью более 0,5 км2 и средней глубиной 2 м).
Классификации водохранилищ
Водохранилища могут быть подразделены на типы по морфологическому строению ложа (занятое водой естественное понижение земной поверхности), способу заполнения водой, географическому положению, месту в бассейне реки, характеру регулирования стока.
По морфологическому строению ложа выделяются долинные (речные), котловинные (озёрные) и котловинно-долинные водохранилища. Долинные образуются после строительства на реке плотины, ложем им служит часть речной долины. Для этих водохранилищ характерно наличие уклона дна и возрастание глубин от верхней части водоёма к плотине. Подразделяются, в свою очередь, на русловые (в пределах русла и низкой поймы) и пойменно-долинные (включают русло, высокую пойму, иногда участки надпойменных террас). К котловинным водохранилищам относятся расположенные в озёрных котловинах или изолированных низинах и впадинах водоёмы, уровень воды в которых поднят плотиной гидроузла. К ним также причисляют заливы, лиманы, лагуны, отгороженные от моря дамбами, и эстуарии (морские водохранилища), отделённые плотинами приливных гидроэлектростанций. Водохранилища котловинно-долинного типа состоят из находящегося в подпоре озера и затопленного водой участка долины.
По способу наполнения водой водохранилища подразделяются на запрудные, которые заполняются водами водотока, и наливные, в которые вода подаётся по каналу или трубе из соседнего водного объекта (например, водохранилища гидроаккумулирующих электростанций).
По географическому положению выделяются горные (высота напора до 300 м и более), предгорные (50–100 м), равнинные (до 50 м) и приморские (несколько метров) водохранилища. Примерами высоконапорных горных водохранилищ служат Нурекское и Рогунское на реке Вахш в Таджикистане; предгорных – Красноярское, Братское, Усть-Илимское, равнинных – водохранилища Волжского каскада в России; приморского – Эйсселмер (Нидерланды). В зависимости от местоположения в бассейне реки водохранилища бывают верховые и низовые. Система водохранилищ на реке именуется каскадом.
По характеру регулирования стока выделяются водохранилища суточного, недельного, сезонного (или годичного) и многолетнего регулирования.
Основные параметры водохранилищ
Форма водохранилища определяется характером заполнения естественного понижения водой – долинные имеют вытянутую, как правило расширяющуюся по направлению к плотине форму, котловинные – озёровидную форму. Основные морфометрические характеристики водохранилища – площадь его поверхности и объём (наиболее важные), протяжённость береговой линии (по урезу воды), длина и ширина, средняя и максимальная глубина. Форма водохранилища и морфометрические характеристики изменяются с изменением уровня воды водоёма.
Параметры (характеристики) водохранилища и конструктивных элементов гидроузла рассчитываются при создании искусственного водоёма в зависимости от задач регулирования стока, природных условий (рельефа местности, её геологического строения, почвенно-растительного покрова, климата, многолетних колебаний стока воды, наносов и растворённых веществ) и хозяйственной освоенности территорий (в том числе наличие в её пределах памятников культуры и охраняемых природных объектов). С учётом перечисленных факторов определяются высотные отметки нормального (НПУ) и форсированного (ФПУ) подпорного уровня воды. НПУ – отметка (м) полного наполнения водохранилища в обычных условиях; достигается к концу периода наполнения, может поддерживаться плотиной в течение длительного времени, при котором использование водных ресурсов водохранилища наиболее эффективно. Как правило, площадь водной поверхности водохранилища исчисляется для НПУ.
ФПУ – отметка (м) уровня, до которой допускается временный подъём водной поверхности в случае непредсказуемо высокого половодья или паводка. Опорожнение водохранилища, максимально доступное при регулировании уровня, определяет горизонт сработки или уровень мёртвого объёма (УМО) – предельно возможное снижение уровня воды в водохранилище, сработка ниже которого невозможна. Запас воды, находящийся под НПУ, называют полным объёмом, а между НПУ и УМО – полезным объёмом водохранилища, который используется для регулирования стока и периодической сработки. Объём воды, заключённый между НПУ и ФПУ, – резервный объём. Часть водохранилища, примыкающая к плотине (или шлюзу) и расположенная выше неё, именуется верхним бьефом, расположенная ниже – нижним бьефом.
Для обеспечения колебаний уровня воды в заданных пределах рассчитываются экстремальные значения расхода воды через гидроузел. Минимальный санитарный расход требуется для благополучия речной экосистемы в нижнем бьефе гидроузла, а максимальный должен быть таким, чтобы возможно было в любое наводнение предотвратить перелив воды через плотину и её разрушение. Проект строительства водохранилища осуществляется лишь после завершения его гидротехнической, экономической и экологической экспертизы.
Самый большой полный (2760 м3) и полезный (204,8 км3) объёмы, а также площадь (76 тыс. км2, из которых 68 тыс. км2 – площадь подпруженного озера) имеет водохранилище котловинного типа Виктория, образованное гидроузлом Оуэн-Фолс, построенным в 1954 г. в истоке Белого Нила и поднявшим уровень воды в озере Виктория. Среди других наиболее крупных водохранилищ котловинного типа можно выделить Иркутское, включающее озеро Байкал – полезный объём 31,5 км3 и площадь 32,96 тыс. км2, Онтарио – 29,9 км3, 19,56 тыс. км2, и Онежское (Верхнесвирское) – 13,1 км3, 9,93 тыс. км2.
Среди долинных водохранилищ самое большое по площади водной поверхности (8,48 тыс. км2) – Вольта с гидроузлом Акосомбо на реке Вольта в Гане, по величине полного объёма – Братское (169,3 км3) на реке Ангара. В таблице представлены сведения о других наиболее крупных по объёму и площади водохранилищах долинного типа.
Крупнейшие по площади водной поверхности и объёму долинные водохранилища мира
Название водохранилища | Река | Страна | Годы создания | Площадь, км2 | Объём полный/ полезный, км3 | Длина, км | Мощность ГЭС, МВт |
Вольта (Акосомбо) | Вольта | Гана | 1964–1967 | 8480 | 148,0/90,0 | 400 | 1020 |
Смолвуд | Черчилл | Канада | 1967–1971 | 6475 | 32,0 | ~230 | 5428 |
Куйбышевское | Волга | Россия | 1955–1957 | 6450 | 58,0/34,6 | 510 | 2488 |
Кариба | Замбези | Замбия, Зимбабве | 1958–1963 | 5580 | 160,3/46,0 | 300 | 1320 |
Бухтарминское | Иртыш | Казахстан | 1960–1967 | 5490 | 49,6/30,8 | 350 | 675 |
Братское | Ангара | Россия | 1961–1967 | 5470 | 169,3/48,2 | 1020 | 4500 |
Насер (Асуан) | Нил | Египет, Судан | 1960–1977 | 5120 | 162,0/90,7 | 500 | 2100 |
Рыбинское | Волга | Россия | 1935–1947 | 4550 | 25,4/16,7 | 250 | 386 |
Гури | Карони | Венесуэла | 1963–1986 | 4250 | 135,0/55,0 | 175 | 10 235 |
Собрадинью | Сан-Франсиску | Бразилия | 1986 | 4200 | 34,2/13,5 | 280 | 1050 |
Волгоградское | Волга | Россия | 1950–1960 | 3310 | 31,45/8,25 | 540 | 2734 |
Кахора-Баса | Замбези | Мозамбик | 1974–1977 | 2740 | 63,0/51,8 | 270 | 2070 |
Цимлянское | Дон | Россия | 1952–1953 | 2702 | 23,9/11,5 | 360 | 208 |
Тукуруи | Токантинс | Бразилия | 1980–1984 | 2430 | 45,8/25,4 | 200 | 8370 |
Зейское | Зея | Россия | 1974–1980 | 2420 | 68,4/38,2 | 290 | 1330 |
Вилюйское | Вилюй | Россия | 1965–1972 | 2360 | 35,9/17,8 | 470 | 680 |
Саньмыньсяшуйку | Хуанхэ | Китай | 1960–1962 | 2350 | 35,4/12,1 | 300 | 1100 |
Богучанское | Ангара | Россия | 1974–2015 | 2326 | 58,2/2,3 | 375 | 2997 |
Красноярское | Енисей | Россия | 1967–1970 | 2000 | 73,3/30,4 | 388 | 6000 |
Усть-Илимское | Ангара | Россия | 1968–1977 | 1922 | 58,9/2,8 | 300 | 3840 |
Гаррисон | Миссури | США | 1947–1954 | 1560 | 30,6/24,5 | 320 | 583 |
Итайпу | Парана | Бразилия, Парагвай | 1975–1984 | 1350 | 29,0/19,0 | 170 | 14 000 |
Санься (Три ущелья) | Янцзы | Китай | 1994–2010 | 1084 | 39,3/22,2 | 600 | 22 500 |
Крупные проекты по созданию водохранилищ осуществимы в малонаселённых районах. Потребность в регулировании стока в густонаселённых регионах обеспечивается сложными водохозяйственными системами, состоящими из нескольких водохранилищ (каскадов). В этом случае важнейшими факторами экологического состояния водохранилищ становятся не природные особенности географического положения, а место создаваемого водоёма в реконструируемой гидрографической сети. В таких системах особенно важна роль самых верхних или наиболее крупных водохранилищ как регуляторов сезонных и многолетних колебаний речного стока, обеспечивающих стабильность работы остальных. Такими водоёмами-регуляторами, например в Волжско-Камском каскаде, служат Рыбинское, Камское и Куйбышевское водохранилища.
Влияние водохранилищ на природную среду
Гидрологическая особенность всех водохранилищ по сравнению с природными озёрами – существенно больший размах колебаний уровня воды, обусловленный искусственным регулированием наполнения и сработки водоёма. В период наполнения (многоводные фазы водного режима – половодье, паводки) уровень воды в водохранилище может подняться на значительную величину (иногда от УМО до НПУ), а в период сработки (маловодные фазы – межень), когда потребление ресурсов на хозяйственные нужды и санитарные попуски превосходят их пополнение меженным стоком, – снизиться на такую же величину. В равнинных водохранилищах величина сезонных колебаний уровня воды обычно составляет 7–10 м, в предгорных – 15–30 м, в горных – 50–100 м и более. При сработке полезного объёма воды наиболее мелководные участки ложа обсыхают. Для водохранилищ, как и для озёр, характерно волнение, сгонно-нагонные колебания уровня, плотностные и ветровые течения. Особенность термического режима водохранилищ – наличие температурной стратификации вод в слабопроточных участках (озёрный тип). На замерзающих водохранилищах в период ледостава дно мелководий покрывается оседающим ледяным покровом. На равнинных водохранилищах размер таких участков в маловодные годы может достигать 30–50 % площади ложа водохранилища при НПУ.
Характерная особенность водного баланса водохранилища – преобладание притока речных вод в приходной части и стока вод в нижний бьеф в расходной части уравнения водного баланса. На долю выпадающих на поверхность водоёма атмосферных осадков в большинстве случаев приходится 2–3 % прихода вод, а на испарение – 10 % расхода вод. Исключение составляют либо очень крупные водохранилища, либо расположенные в районах со значительными осадками и испарением. Например, на долю осадков в водохранилище Вольта приходится 22 % приходной части водного баланса (годовая величина осадков 1400 мм), а на долю испарения – 25 % расходной части (1,570 тыс. мм). Существенная доля испарения характерна для водохранилищ, расположенных в аридном (засушливом) климате. Интенсивность водообмена для водохранилищ обычно больше, чем для озёр, а период условного обновления вод составляет примерно от 3 лет до 6–10 месяцев.
Водохранилища выступают аккумуляторами наносов, поступающих с речным стоком. Поэтому для водохранилищ характерны процессы заиления (отложение мелких – взвешенных наносов) и занесения (отложение крупных – влекомых наносов), интенсивность которых зависит от стока наносов реки и объёма водохранилища. В результате заиления в водоёме формируется толща донных отложений.
Сооружение водохранилищ неизбежно оказывает влияние на реки и природную среду. Они замедляют водообмен в гидрографической сети речных бассейнов, вызывают изменения величины речного стока и его внутригодового распределения, термического и ледового режима, режима подземных вод, тектонические, микроклиматические и гидробиологические изменения (в том числе цветение воды), приводят к затоплению и подтоплению земель, размыву берегов, ухудшают условия прохода на нерест многих пород рыб. В то же время сооружение водохранилищ помогает решить проблемы водоснабжения, производства дешёвой электроэнергии, работы водного транспорта, защиты от наводнений (даже во время самых катастрофических половодий или паводков) и предупреждения ледяных заторов, повышения биопродуктивности и улучшения рекреационных условий. При этом водохранилища как регулируемые источники водных ресурсов в хозяйственно освоенных регионах мира имеют экологически важное водоохранное значение, поскольку обладают способностью экосистем восстанавливать природные свойства загрязнённых водных ресурсов. Замедление водообмена и расширение водной поверхности на превращённых в водоёмы участках гидрографической сети речного бассейна способствуют многократному увеличению её биологических ресурсов. Процессы жизнедеятельности биоты водохранилищ приводят к окислению органических загрязняющих веществ, ускоряют сорбцию растворённых минеральных и недоокисленных органических веществ на взвесях, их осаждение и захоронение в составе донных отложений. Высшая водная растительность (макрофиты), способствующая очищению воды, служит субстратом для нереста многих видов рыб и наилучшим местообитанием мальков. Для эффективного самоочищения экосистемы водохранилища и наибольшей его рыбопродуктивности площадь зарослей макрофитов должна составлять 15–20 % акватории водоёма.
Для предотвращения нежелательных последствий и максимального использования положительного эффекта от создания водохранилища проводятся различные мероприятия как на этапе создания водоёма, так и при дальнейшей его эксплуатации. При создании водохранилищ из зоны затопления переносят населённые пункты, промышленные и транспортные объекты, а также места захоронения людей и скотомогильники, отходы предприятий, проводят лесоочистку и санитарно-гигиенические мероприятия. В период эксплуатации водохранилищ ведётся контроль за размещением на их побережьях городов и промышленных объектов, за регулированием спуска сточных вод, осуществляется инженерная защита территорий и объектов (населённых пунктов, предприятий, мостов, сельскохозяйственных угодий), создание водоохранных и рекреационных зон.