Если внимательно рассматривать карту России, то в разных ее регионах можно увидеть довольно крупные голубые пятна неправильной формы - водохранилища. Судя по их размеру, это настоящие моря, заключенные в глубине материка. Согласно статистическим данным, водохранилища России содержат в себе около 800 кубических километров пресной воды. Впечатляющая цифра.

Что называют водохранилищем? Как оно образуется? Какие функции выполняет в народном хозяйстве? Ответы на все эти вопросы - в нашей статье. Кроме того, вы узнаете о том, какое водохранилище в России самое крупное. Итак, начнем нашу виртуальную прогулку по искусственным морям страны.

Водохранилище - что это такое?

Водохранилищем в гидрологии принято называть довольно крупный водоем искусственного происхождения, образованный подпорным сооружением (дамбой или плотиной ГЭС) с целью накопления и дальнейшего использования воды для нужд хозяйства и населения. Сравнительно небольшие по площади искусственные водоемы также нередко называют прудами или ставками.

Силу текущей воды наши предки использовали с самых древних времен. Так, первые упоминания о водяных мельницах встречаются еще в древнерусских летописях. При таких мельницах, само собой разумеется, создавались небольшие прудики. Именно их и можно считать прототипами современных «искусственных морей».

Первые водохранилища в России начали создавать в начале XVIII века, во время соединения системой каналов Волги с Балтийским морем. В XIX веке искусственные водоемы активно использовались для судоходства, а также снабжали сотни промышленных заводов водой и электроэнергией.

В современной России водохранилища также исправно служат людям. В частности, они:

• Снабжают водой поля и сельскохозяйственные угодья в засушливых районах страны (через оросительные системы).
• Регулируют сток крупных рек и таким образом предотвращают наводнения и подтопления населенных пунктов.
• Создают условия для свободного перемещения крупногабаритных судов.
• Способствуют разведению многих ценных пород ихтиофауны.
• Создают условия для активного отдыха и рекреации местного населения (как летнего, так и зимнего).

Классификация водохранилищ

Существует большое количество классификаций водохранилищ. Их делят по характеру использования, площади поверхности, объему воды, глубине, местоположению и т. д. Так, исходя из строения дна, водохранилища бывают:

• Долинные (те, которые сформировались в речных долинах).
• Котловинные (образованные путем подпруживания озера, морского залива или лимана).

По местоположению водного объекта все водохранилища можно поделить на:

• Равнинные.
• Предгорные.
• Горные.

Наконец, по площади водного зеркала водохранилища делятся на:

• Малые (до 2 км 2).
• Небольшие (2-20 км 2).
• Средние (20-100 км 2).
• Большие (100-500 км 2).
• Очень большие (500-5 000 км 2).
• Крупнейшие (свыше 5 000 км 2).

Самые большие водохранилища России: список и названия

Россия - абсолютный лидер на планете по общему количеству искусственных водоемов. Здесь таковых насчитывается не менее 30 тысяч. Почти все водохранилища России были созданы уже после Второй мировой войны, преимущественно в 50-70-х годах ХХ века. По территории страны они размещены крайне неравномерно. Так, в азиатской части их примерно в десять раз меньше, чем в европейской.

Итак, крупнейшие водохранилища России (по площади):

1. Куйбышевское (6 500 км 2).
2. Братское (5 470 км 2).
3. Рыбинское (4 580 км 2).
4. Волгоградское (3 117 км 2).
5. Цимлянское (2 700 км 2).
6. Зейское (2 420 км 2).
7. Вилюйское (2 360 км 2).
8. Чебоксарское (2 190 км 2).
9. Красноярское (2 000 км 2).
10. Камское (1 910 км 2).

«Жигулевское море»

Площадь: 6 500 км 2 . Объем: 58 км 3 .

Самое большое водохранилище в России (и третье по величине в мире) - Куйбышевское. Его еще часто называют "Жигулевским морем". Оно возникло в 1957 году в результате возведения плотины одноименной ГЭС. Расположено на реке Волге, в пределах нескольких регионов РФ: Самарской и Ульяновской областей, Чувашии, Татарстана и Республики Марий Эл.

Протяженность Куйбышевского водохранилища - 500 км, а максимальная ширина - 40 км. Глубины не превышают сорока метров. Грандиозный водный резервуар находится в сердце крупнейшего промышленного края России. Жигулевская ГЭС ежегодно производит около 10 млрд. кВт-час электроэнергии. Само же водохранилище обеспечивает пресной водой более одного миллиона гектаров сельскохозяйственных угодий. Помимо всего прочего, Жигулевское море является популярной рекреационно-туристической зоной благодаря мягкому климату и живописности береговой линии.

Братское водохранилище

Площадь: 5 470 км 2 . Объем: 169 км 3 .

Братское водохранилище, расположенное на реке Ангаре, уступает Жигулевскому морю по площади, но во многом превышает его в объеме. Соответственно, и глубины водного резервуара относительно велики: в отдельных местах они достигают отметки в 150 метров.

Братская ГЭС, построенная в 1961 году, затопила огромное количество земель (включая знаменитый Братский Острог) и в то же время поспособствовала созданию мощнейшего промышленного кластера в азиатской части страны. В наши дни водоем активно используется для водоснабжения, сплава древесины и вылова рыбы. Его берега чрезвычайно сильно изрезаны. В местах впадения в Ангару других водотоков сформировались достаточно широкие и длинные заливы.

Рыбинское водохранилище

Площадь: 4 580 км 2 . Объем: 25 км 3 .

Второе по размеру водохранилище на Волге - Рыбинское. Оно расположено в пределах трех областей - Ярославской, Тверской и Вологодской.

Водохранилище отличается довольно необычной формой. 17 тысяч лет назад на его месте существовало крупное ледниковое озеро. Со временем оно высохло, оставив после себя обширную низменность. Ее заполнение началось в 1941 году в результате сооружения Рыбинского гидроузла. 130 тысяч человек пришлось переселить в другие места. Более того, создание Рыбинского водохранилища поглотило 250 тысяч гектаров лесов, около 70 тысяч га пашни и 30 тысяч га пастбищ.

Сегодня на берегах псевдоморя действует гигантская научная лаборатория, изучающая воздействие искусственных водоемов на природные комплексы тайги.

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

— 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.

ВОДОХРАНИЛИЩЕ, водоём, созданный для накопления водных ресурсов на суше в целях их хозяйственного использования и ограничения наводнений. Большинство водохранилищ образовано в долинах водотоков при сооружении гидроузлов, состоящих из плотин и водопропускных устройств различной конструкции (водоводов, водосливов, шлюзов) с затворами, при помощи которых регулируют расход сбрасываемой через гидроузел воды.

Древнейшие питьевые и ирригационные водохранилища, обнаруженные по остаткам плотин, существовали в Египте около 3000 года до нашей эры. Из действующих гидроузлов Хомс - самый старый в мире, сооружён в 1304 году до нашей эры, находится на территории современной Сирии на реке Эль-Аси (Оронт), у г. Хомс, с питьевым водохранилищем объёмом 0,2 км 3 . В России старейшее водохранилище - Алапаевское, создано на Урале на реке Нейва (при впадении в неё реки Алапаиха) в 1704 году при строительстве металлургического завода.

Водохранилища создаются для перераспределения стока рек во времени, а в сочетании с каналами и другими водопроводящими устройствами - и по территории. Выделяют водохранилища суточного, недельного, сезонного (или годичного) и многолетнего регулирования. По хозяйственному назначению водохранилища делят на используемые для водоснабжения (коммунально-бытового, промышленного, в их число входят и водохранилища-охладители крупных тепловых и атомных электростанций), гидроэнергетические, ирригационные, транспортные (наряду с каналами в составе судоходных путей), противопаводковые, рекреационные, рыбохозяйственные. Большинство водохранилищ становятся водоёмами комплексного использования несколькими отраслями водного хозяйства. Водохранилища создаются самых разных размеров, как по площади водного зеркала, так и по объёму.

Развитие гидроэнергетики, ирригации и водного транспорта в 20 веке привело к быстрому увеличению числа крупных водохранилищ (табл.). В мире свыше 60 тысяч водохранилищ, в России свыше 2250.

Естественную ёмкость, в которой аккумулируется вода, называют чашей водохранилища, а её дно - ложем. Водохранилища пресных вод подразделяются по происхождению ложа на 3 класса: долинные, или речные, водами которых затоплен участок речной долины; котловинные, или озёрные, расположенные в озёрных котловинах, уровень воды в которых поднят плотиной гидроузла (к ним относят также наливные водохранилища, устроенные в низинах, с водой, подаваемой по каналу или трубе из соседнего водного объекта); котловинно-долинные, состоящие из находящегося в подпоре озера и затопленного водой участка долины. В ряде стран созданы немногочисленные морские водохранилища в заливах и эстуариях, отделённые от морей и океанов плотинами приливных гидроэлектростанций.

В проекте каждого водохранилища параметры водоёма и конструктивных элементов гидроузла рассчитываются, исходя из водохозяйственных задач регулирования стока и природных условий (рельефа местности, её геологического строения, почвенно-растительного покрова, климата, многолетних колебаний стока воды, наносов и растворённых веществ). При этом учитывают заселённость и хозяйственную освоенность территории, наличие в её пределах памятников культуры и охраняемых природных объектов. С учётом перечисленных факторов определяются высотные отметки нормального подпорного уровня воды (НПУ), при котором наиболее эффективно использование водных ресурсов; форсированного подпорного уровня (ФПУ), до которого допускается подъём водной поверхности водохранилища в случае непредсказуемо высокого половодья или паводка; уровень проектной сработки (УПС), до которого разрешено понижать водную поверхность водоёма при использовании его водных ресурсов. Запас воды, находящийся под НПУ, называют полным объёмом водохранилища, между НПУ и УПС - полезным объёмом, под которым находится так называемый мёртвый объём, не предназначенный для использования (рис. 1). Часть водохранилища с мёртвым объёмом характеризуется более разнообразной, чем в остальной водной толще, биотой, благодаря обильному бентосу и бентосоядным рыбам, особенно многочисленным в водохранилище. 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 экологической, гидротехнической и экономической экспертизы.

Самый большой полный (2760 км 3) и полезный (204,8 км 3) объёмы имеет водохранилище котловинного класса Виктория, образованное гидроузлом Оуэн-Фолс, построенным в 1954 году в истоке Белого Нила, поднявшим уровень воды в озере Виктория. Среди долинных водохранилищ самое большое по площади водной поверхности (8480 км 2) - Вольта с гидроузлом Акосомбо на реке Вольта в Гане, по величине полного объёма - Братское (169,3 км 3) на реке Ангара. Крупные проекты осуществимы в малонаселённых регионах. Потребность в регулировании стока в густонаселённых регионах обеспечивается сложными водохозяйственными системами, состоящими из нескольких водохранилищ (рис. 2). 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 в Волжско-Камском каскаде служат Рыбинское, Камское и Куйбышевское водохранилища.

Гидрологическая особенность всех водохранилищ по сравнению с природными водоёмами - существенно больший размах колебаний уровня воды. Он поднимается в многоводные фазы стока при накоплении водных ресурсов и понижается в маловодные фазы, когда потребление ресурсов на хозяйственные нужды и санитарные попуски превосходят их пополнение меженным стоком. В равнинных водохранилищах такие колебания обычно составляют 7-10 м, в предгорных - 15-30 м, в горах созданы водохранилища с размахом колебаний уровня 50-100 м и более. При сработке полезного объёма воды обсыхают наиболее мелководные участки ложа, а на замерзающих водохранилищах в период ледостава дно мелководий покрывается оседающим ледяным покровом. На равнинных водохранилищах размер таких участков (аква-территорий) в маловодные годы может достигать 30-50% площади ложа водохранилищ при НПУ.

Водохранилища как регулируемые источники водных ресурсов в хозяйственно освоенных регионах мира имеют экологически важное водоохранное значение. Водохранилища уменьшают частоту наводнений, площадь, продолжительность и глубину затопления поймы ниже гидроузлов даже во время самых катастрофических половодий или паводков, а также обладают способностью экосистем восстанавливать природные свойства загрязнённых водных ресурсов. Замедление водообмена и расширение водной поверхности на превращённых в водоёмы участках гидрографической сети 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 водохранилищ и наибольшей её рыбопродуктивности площадь зарослей макрофитов должна составлять 15-20% акватории водоёма. Осушение и промерзание мелководий ведёт к деградации зарослей макрофитов. Для борьбы с этими явлениями необходима реконструкция водохранилищ в многосекционные. В мелководных водоохранных секциях (отделённых дамбами от главной) следует поддерживать НПУ и перед ледоставом сбрасывать воду в главную секцию с частично сработанным полезным объёмом. Такое решение основной экологической проблемы эксплуатации водохранилищ не нарушит оптимальный режим потребления воды и её сброса из водоёма, но увеличит в нём самоочищение и рыбопродуктивность, а также продолжительность эксплуатации верхнего бьефа гидроузла.

При подготовке ложа водохранилищ переносят населённые пункты, а также места захоронения людей и скотомогильники из зоны затопления, проводят санитарно-гигиенические мероприятия. Вывозят отбросы и отходы предприятий или утилизируют их на месте; проводят лесоочистку.

В период эксплуатации водохранилищ ведётся контроль за размещением на их побережье городов и промышленных объектов, за регулированием спуска в водохранилищ сточных вод. В зоне водохранилищ санитарные органы проводят профилактику малярии, туляремии и других заболеваний.

Лит.: Авакян А. Б., Салтанкин В. П., Шарапов В. А. Водохранилища. М., 1987; Эдельштейн К. К. Водохранилища России: экологические проблемы, пути их решения. М., 1998; Вода России. Екатеринбург, 2001. [Т. 6]: Водохранилища.

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.