Водохранилище

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.

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

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.

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.