Описание водохранилища. История строительства водохранилищ

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Назначение водохранилищ

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

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

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

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

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

Основными характеристиками водохранилища являются объём, площадь зеркала и изменение уровней воды в условиях его эксплуатации. При создании водохранилищ существенно изменяется и речных долин, а также гидрологический режим реки в пределах подпора. Изменения гидрологического режима, вызываемые созданием водохранилищ, происходят и в нижнем бьефе (части реки примыкающей к платине, шлюзу) гидроузлов. Иногда такие изменения заметны на протяжении десятков и даже сотен километров. Одним из последствий создания водохранилищ является уменьшение половодий. В результате этого ухудшаются условия нереста рыб и роста трав на пойменных . При создании водохранилищ также уменьшается скорость течения реки, что является причиной заиливания водохранилищ.

Красноярское водохранилище (фото Максима Герасименко)

Водохранилища размещаются на территории России неравномерно: в европейской части их более тысячи, а в азиатской – около ста. Общий объём российских водохранилищ составляет около одного миллиона м2. Искусственные водоёмы сильно изменили главную реку — и некоторые её притоки. На них создано 13 водохранилищ. Строительство их началось ещё в середине XIX века, когда в верховьях реки соорудили водоподпорную плотину. Спустя без малого сто лет было залито Иваньковское водохранилище , которое часто называют Московским морем. От него начинается канал, соединяющий реку со столицей.

Рыбинское водохранилище (фото Евгения Гусева)

Рыбинское водохранилище по площади сравнимо с крупнейшими озёрами . В результате затопления широких долин левых притоков Волги (Шексны и Мологи) образовался водоём шириной до 60 км и длиной 140 км, изобилующий множеством заливов, и .

Плотина Куйбышевского водохранилища подняла уровень воды в Волге на 26 м и затопило пойму реки на площади почти 6,5 тысяч км2. При создании водохранилища пришлось перенести около 300 населённых пунктов на новое место, а город Свияжск и вовсе оказался островным. На этом водохранилище даже возможны довольно крупные штормы (высота волн иногда превышает 3 м).

Пятнадцать крупнейших водохранилищ мира находятся в и на Дальнем Востоке. Их строительство велось в второй половине прошлого века. Плотины возводились главным образом на многоводных реках: , Вилюе, Зее. При этом из-за было затоплено относительно небольшие территории. Длина большинства водохранилищ этого района значительна: от 150 км (Колымское) до 565 км (Братское) . А вот ширина относительно невелика, за исключением некоторых участков, где вода разливается до 15-33 км. После устройства Байкальского водохранилища 60-километровый участок Ангары стал практически единым целым с , а уровень озера поднялся на метр.

Саяно-Шушенское водохранилище (фото Павла Иванова)

Самое большое водохранилище — Братское имеет довольно своеобразную форму: широкие плёсы здесь сочетаются с длинными извилистыми заливами. Амплитуда колебания уровня доходит до 10 м. Водохранилище имеет большое значение для судоходства и лесосплава, а также для водоснабжения.

Саяно-Шушенское водохранилище затопило долину Енисея на протяжении более 300 км, но по ширине небольшое — до 9 км. Колебание уровней — до 40 м. Плотина Красноярского водохранилища находится на узком (шириной до 800 м) участке в долине Енисея. Она примечательна своим уникальным подъемником. Суда, подходя к плотине, заходят в наполненную водой камеру, которая переносит их через плотину вниз по течению. Суда, идущие вверх по течению, для этого приходится поднимать на стометровую высоту.

Созданные водохранилища позволили повысить качество коммунального и промышленного водоснабжения больших городов, крупных . Параметры водохранилищ страны колеблются в широких пределах: полный объем от 1 до 169 миллионов м2. Площадь водного зеркала от 0,2 — 0,5 до 5900 км2. Существенным образом различаются длина, ширина, наибольшая и средняя глубины. Максимальная длина крупных равнинных и плоскогорных водохранилищ достигает 400 — 565 км, горных 100 — 110 км, а ширина — до нескольких десятков километров. Самые глубокие водохранилища от 200 — 300 м находятся в долинах крупных горных рек (Ингурское, Чиркейское,) до 70 — 105 м — в плоскогорных и предгорных районах (Братское, Красноярское, Богучанское, Бухтарминское). В больших равнинных водохранилищах глубины не превышают 20 — 30 м.

Водохранилища России

Крупнейшие водохранилища России

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

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