Что такое водохранилища и зачем их строят? Где находится самое большое водохранилище в России

На территории России построено более ста крупных объектов - искусственно созданных с помощью плотин скоплений воды. В данной статье рассмотрим подробно, что такое водохранилище, его основные характеристики, роль влияния на экологию.

Водохранилище - что это?

Что такое водохранилище? Это компонент ландшафта, искусственно созданный человеком. Гидрологический речной режим регулируется в соответствии с необходимыми требованиями. Использование накопленных вод в водохранилище определяется хозяйственными потребностями.

Роль искусственных водоемов

Россия занимает огромные площади континента Евразия. Ее территории простираются от берегов Северного Ледовитого океана до южных степей и пустынь. Не везде есть обилие рек и озер, полностью удовлетворяющих запросы человека. Народное хозяйство требует больших расходов пресной воды. Искусственные водоемы с давних пор использовались для бытовых нужд населения и орошения посевов. Древнейшим рукотворным резервуаром считается египетский Садд-эль-Кафара, построенный еще до нашей эры. С начала XX века сооружение таких водоемов стало повсеместным. Сейчас на планете более 60 тысяч искусственно созданных водоемов. Крупнейшими водохранилищами в мире признаны Насер в Египте на реке Нил, Вольта в Гане, в России Куйбышевское на Волге и Братское на Ангаре.

Назначение

Суммарная площадь всех водоемов мира, созданных человеком за всю историю, - более 400 тысяч квадратных километров. Большинство водохранилищ расположено в Европе, Азии и Северной Америке. Что такое водохранилище для людей, кроме больших запасов воды, используемых для основных бытовых и хозяйственных потребностей? Эксплуатация искусственных водоемов позволяет более разумное применение водных ресурсов - накопленные применяют для орошения почвы, водоснабжения населения и промышленности, гидроэнергетики и транспортных путей. Также используются с целью предотвращения наводнений.

Часто водохранилища - это излюбленные места отдыха и рыбной ловли. Однако, несмотря на положительный экономический эффект, строительство плотин нередко вызывает негативные последствия, влияющие на экологию сопредельных территорий.

Категории искусственных резервуаров

Водохранилища могут подразделяться по нескольким признакам:

• структура;
• местонахождение в речном бассейне;
• способ заполнения;
• степень регулирования уровня воды;
• географическое расположение.

По характеру ложа водохранилища делятся на:

1. Долинные - долины, перегороженной плотиной, является ложем. Направление уклона дна от верхней части к плотине - основной признак, определяющий это водохранилище. Глубина увеличивается к плотине. Могут быть русловые и пойменно-долинные.
2. Котловинные - расположены в изолированных от моря с помощью дамб низинах.

По месту в речном бассейне:

1. Верховые.
2. Низовые.
3. Каскад - ступенчатая система на речном русле.

По наполняемости водой:

1. Наливные.
2. Запрудные.

По характеру регулирования уровня воды:

1. Многолетний - заполнение ложа может происходить в течение нескольких лет.
2. Суточный - уровень регулируется постоянно.
3. Сезонный - сброс воды происходит в определенное время года. Сезонные стоки применяются в целях искусственного орошения сельскохозяйственных земель в весенне-летний период и снижения возможной опасности наводнения.

Зимние понижения уровня опасны для растительного и животного мира созданного с помощью плотины водоема. В случае если сезонный сток происходит на водохранилище зимой, пласты льда, оседающие на осушенное дно, придавливают большое количество рыбы.

По географическому положению:

1. Равнинное - широкое водохранилище, высота уровня воды не больше 30 метров.
2. Горное - величина повышения уровня может достигать более 300 метров.
3. Предгорное - показатели находятся в пределах 100 метров.
4. Приморское - напор несколько метров, сооружают в морских заливах.

Что такое водохранилище для рыбака и туриста?

Изменение русла реки оказывает негативное влияние на нерест рыбы. Вследствие изменения кормовой базы и мест скопления популяций постепенно беднеет видовой состав. Ценные породы исчезают. Однако рыбная ловля на водохранилище зачастую бывает удачной.

Крупные водохранилища характеризуются собственным микроклиматом. Нередко крупные пресные резервуары называют морем. На открытом водном зеркале возникают волны, которые из-за отсутствия естественных препятствий в виде островов отличаются большой высотой. Не только жители окрестных берегов предпочитают отдых на водохранилище, живописные ландшафты и богатая фауна привлекают многочисленных туристов и путешественников.

Влияние на окружающую природу

Строительство водохранилищ может неблагоприятно повлиять на природные условия окружающей местности. Самые серьезные негативные последствия строительства крупных водохранилищ - затопление земель, подъем уровня грунтовых вод, заболачивание прибрежных зон. Общая площадь территорий, ушедших под воду, - приблизительно 240 тысяч квадратных километров. Заиление водохранилищ представляет собой процесс формирования крупных наносов на дне, приводит к уменьшению уровня воды. Также предполагается, что дополнительная нагрузка в виде массы накопленных объемов воды может привести к повышению уровня сейсмичности.

Сооружение водохранилищ влечет множество разнообразных последствий. В процессе создания и эксплуатации плотин следует тщательно планировать строительство и учитывать экологические прогнозы.

Лекция 9. Полезный объем водохранилища. Обоснование оптимальнойглубины сработки водохранилища.

9.1 Полезный объем водохранилища годичного регулирования

Основной задачей водохранилища годичного регулирования является увеличение количества энергии и мощности ГЭС в течение маловодного периода года за счет избыточной воды, задерживаемой в водохранилище во время паводка. Первый вопрос, который должен быть нами решен,- это вопрос о разделении всего объема водохранилища годичного регулирования на две части - полезный и мертвый объемы. Имея полный объем водохранилища, необходимо разделить его на эти два объема, т. е. решить вопрос об определении глубины сработки водохранилища или установить отметку УМО. При решении этой задачи мы будем считать, что отметка НПУ водохранилища известна и что водохранилище всегда может быть наполнено во время паводка, за исключением очень редких случаев при наступлении особо неблагоприятных гидрологических условий. Эти случаи пока не будем принимать во внимание.

Задача заключается в том, чтобы найти такую предельную глубину сработки водохранилища, при которой может быть получен наибольший энергетический эффект на ГЭС. Если мы приняли, что водохранилище может быть наполнено в каждом году, то здесь мы можем рассматривать период опорожнения водохранилища отдельно. Общее решение задачи можно получить следующим образом.

C увеличением опорожнения водохранилища увеличивается и количество энергии, которое получается за счет использования водохранилища. Эта энергия зависит только от того, до какой глубины будет сработано водохранилище, и практически не зависит от продолжительности времени, в течение которого производится опорожнение водохранилища, величины транзитного стока или других факторов.

Выработку ГЭС при наличии водохранилища можно представить состоящей из двух частей: выработки электроэнергии за счет транзитного стока реки, протекающего во время сработки водохранилища, и выработки за счет сработки водохранилища

Э ГЭС =Э В +Э ТР (11-2)

Количество транзитной энергии ГЭС зависит, конечно, от объема транзитного стока, т. е. от величины транзитных расходов воды и продолжительности периода опорожнения водохранилища. Но оно зависит также и от напора, т. е. от глубины сработки водохранилища. Наконец, оно зависит от режима сработки водохранилища. При быстрой сработке водохранилища в начале маловодного периода, как, например, показано на рис. 1.1, большая часть транзитного стока проходит при сравнительно малом напоре и потому дает небольшой энергетический эффект. Сработка же главным образом в конце маловодного сезона, показанная на рис. 1.2 , позволяет пропустить почти весь транзитный сток при большом напоре и, следовательно, получить от ГЭС большее количество энергии.

Рис. 1.1 Рис. 1.2

Пусть нам известна гидрологическая характеристика маловодного сезона, в течение которого производится опорожнение водохранилища. Задавшись каким-либо простым условным режимом работы ГЭС (например, при регулировании на постоянную величину расхода воды, пропускаемого через турбины ГЭС), мы можем определить количество энергии, которое вырабатывает ГЭС при различных отметках сработки к концу маловодного сезона. Результаты таких расчетов могут быть представлены графически в виде кривой зависимости транзитной энергии ГЭС от глубины сработки водохранилища, изображенной на рис.2

На этом же графике построена энергетическая характеристика водохранилища. Чем глубже срабатывается водохранилище, т. е. чем большим принимается его полезный объем, тем большее количество энергии получается от водохранилища и тем меньшей становится транзитная энергия. Уменьшение транзитной энергии объясняется уменьшением напора при углублении сработки водохранилища. Суммируя для различных глубин сработки энергию водохранилища и транзитную энергию, мы получим полную величину энергии ГЭС за весь период опорожнения водохранилища. Очевидно, что для данных гидрологических условий и для принятого режима регулирования та глубина сработки водохранилища, при которой ГЭС вырабатывает наибольшее количество энергии, оказывается наиболее выгодной. Дальнейшее углубление сработки водохранилища, хотя и увеличило бы его полезный объем и регулируемый расход, используемый ГЭС, но при этом напор уменьшился бы настолько, что полное количество энергии, вырабатываемой ГЭС, не увеличилось бы, а уменьшилось.

Если изменится характеристика транзитного стока за время опорожнения водохранилища, то кривая зависимости транзитной энергии от глубины сработки водохранилища получит другой вид и займет другое положение на графике. На рис. 2 пунктиром показаны такая кривая, полученная при уменьшенном транзитном стоке, и кривая полной энергии ГЭС для этого случая. Из приведенного графика видно, что в этом случае наиболее выгодная величина полезного объема водохранилища увеличивается. Это очень легко объясняется тем, что при уменьшении транзитного стока энергия водохранилища составляет большую часть всей энергии ГЭС. Отметим здесь, что изменение величины транзитного стока может происходить и при неизменной гидрологической характеристике, но при изменении продолжительности времени опорожнения водохранилища.

Если бы мы, не изменяя объема и распределения транзитного стока, приняли другой режим регулирования, то изменилась бы форма кривой зависимости транзитной энергии от глубины предельной сработки водохранилища к концу маловодного сезона. Вместе с тем изменилась бы и форма суммарной кривой полной энергии ГЭС. Следовательно, мы получили бы другую отметку наиболее выгодной сработки водохранилища. При значительном изменении режима регулирования во время опорожнения водохранилища изменение наиболее выгодной глубины сработки водохранилища также может быть значительным. Из рис. 1.1 и 1.2 следует, что при раннем опорожнении водохранилища глубокая сработка его менее выгодна, чем при позднем опорожнении.

Выше было рассмотрено влияние различных условий на положение наиболее выгодной глубины сработки водохранилища, имеющего определенную собственную характеристику. Но сравнивая между собой различные водохранилища, нетрудно убедиться, что предельная глубина их сработки при одинаковых прочих условиях зависит от вида их характеристик - объемных и энергетических. Для примера на рис. 3 построены объемные характеристики двух водохранилищ, имеющих одинаковый полный объем при одинаковой отметке НПУ. Из этого графика видно, что при отмеченной на чертеже глубине сработки полезный объем водохранилища А составляет большую часть всего его объема. Для водохранилища Б при той же глубине сработки полезный объем составляет лишь небольшую часть всего полного объема водохранилища. Дальнейшее углубление сработки заметно увеличивает его полезный объем и, следовательно, дает большой энергетический эффект, в то время как для водохранилища А углубление сработки лишь очень мало увеличивает регулируемый расход воды.

Для смешанной плотинно-деривационной схемы водно-энергетические расчеты для определения наиболее выгодной глубины сработки водохранилища производятся так же, так и для плотинной схемы. В этих расчетах должен, конечно, учитываться весь напор, как создаваемый плотиной, так и создаваемый деривацией. Понятно, что в плотинно-деривационной схеме полезный объем водохранилища составляет значительно большую часть всего его объема, а мертвый объем значительно меньшую, чем в плотинной схеме. Мертвый объем может быть ничтожно малым.

Из всего того, что было сказано выше, остановимся на одном очень важном положении. Для данного водохранилища наиболее выгодная глубина сработки зависит очень сильно от объема транзитного стока. Но в различные гидрологические годы объем транзитного стока в течение маловодного сезона, когда происходит опорожнение водохранилища, неодинаков. Следовательно, также неодинаковой должна быть и глубина сработки водохранилища в различные гидрологические годы.

Если бы мы имели возможность получать достаточно надежный прогноз режима естественного стока реки на предстоящий маловодный сезон, то предварительное определение наиболее выгодной глубины сработки водохранилища в каждом отдельном году не представляло бы никаких принципиальных трудностей. Однако при отсутствии предварительного прогноза речного стока оно становится невозможным. Но если нельзя практически для каждого отдельного года устанавливать свою особую наиболее выгодную глубину сработки водохранилища, то это значит, что должна быть определена одна одинаковая для всех лет глубина предельной сработки водохранилища независимо от различия гидрологических характеристик во все эти годы.

Особо важное значение имеет использование водохранилища годичного регулирования для увеличения энергии и мощности ГЭС во время опорожнения водохранилища в маловодные годы. Поэтому определение предельной глубины сработки водохранилища должно производиться при малом объеме транзитного стока. В таком случае мы получим, как это видно из рис. 2 , большую глубину предельной сработки водохранилища, которую и будем считать одинаковой для всех гидрологических лет. При таком решении задачи в многоводные годы количество энергии, которую вырабатывает ГЭС, может оказаться несколько меньшим, чем наибольшее возможное. Но, как мы увидим в дальнейшем, потерянная таким образом энергия может быть если не полностью, то частично возмещена, если мы будем применять в различные гидрологические годы неоди­наковый режим регулирования. Действительно, в многоводные годы нет необходимости также быстро опорожнять водохранилище в начале маловодного сезона, как в маловодные годы, так как большая величина транзитного стока позволяет ГЭС работать с необходимой для энергетической системы мощностью, не меньшей, чем гарантированная, забирая при этом из водохранилища лишь сравнительно небольшое количество воды. В конце же маловодного сезона, когда остается неиспользованной лишь небольшая часть транзитного стока, сработка водохранилища может быть быстро доведена до постоянной предельной отметки, в результате чего будет получена дополнительная энергия.

Хотя мы и пришли к выводу, что предельная глубина сработки должна определяться по маловодному году, но этот вывод еще нельзя считать полным, так как нам нужно еще решить, какой же именно год следует выбрать из числа маловодных в качестве расчетного. Выбор расчетного года не может быть, конечно, сделан произвольно, так как расчетный год должен отвечать определенным условиям, т. е. условиям наилучшего использования ГЭС в энергетической системе. Из двух основных требований, предъявляемых энергетической системой к ГЭС, в данном случае наибольшее значение имеет первое - достижение наибольшей обеспеченности в работе энергетической системы. Способы же для удовлетворения второго основного требования энергетической системы - наибольшего количества энергии, вырабатываемой ГЭС, будут рассмотреныв дальнейшем.

Принимая в качестве исходного условия для определе­ния наиболее выгодной предельной глубины сработки водохранилища достижение наибольшей обеспеченности в работе энергетической системы, мы вместе с тем решаем вопрос о режиме опорожнения водохранилища, который мы ранее принимали условным. Так как наибольшая обеспеченность, как мы это установили ранее, достигается при работе ГЭС по гарантированному графику мощности, то отсюда следует, что режим регулирования во время опорожнения водохранилища должен соответствовать работе ГЭС по этому графику.

Если известен состав действующей энергетической системы, то гарантированный график среднесуточной мощности ГЭС всегда может быть построен. Имея достаточно полную гидрологическую характеристику реки, мы можем произвести расчет регулирования за длительный ряд лет при работе ГЭС по гарантированному графику среднесуточной мощности. В результате этого расчета будет получен график изменения уровня воды в водохранилище за все эти годы. На рис. 4 показаны совмещенные кривые изменения уровня воды в водохранилище за несколько лет, причем здесь выделены только те участки кривых, которые в настоящем случае представляют для нас интерес, т. е. относящиеся ко времени опорожнения водохранилища.

Чем маловоднее год, тем большее количество воды необходимо забирать из водохранилища для получения гарантированной мощности на ГЭС. Поэтому, чем маловоднее год, тем глубже срабатывается водохранилище. Однако в особо маловодные годы никакая самая глубокая сработка водохранилища не даст возможности для ГЭС работать по гарантированному графику в течение всего периода опорожнения водохранилища вследствие значительного уменьшения напора при глубокой сработке. Кривая изменения уровня воды в водохранилище для такого случая изображена па рис. 4 пунктиром. Очевидно, что в такие особо маловодные годы нельзя избежать нарушений нормальной работы энергетической системы. Поэтому мы все такие годы исключаем из дальнейшего рассмотрения.

Из числа оставшихся лет возьмем такой наиболее маловодный год, в котором глубина сработки водохранилища оказывается наибольшей. Если бы мы в этом году использовали водохранилище в меньшей степени, то ГЭС не могла бы работать по гарантированному графику вследствие недостатка воды. Более глубокая сработка водохранилища в этом году не требуется для получения гарантированной мощности и она не может дать дополнительной энергии, так как работа ГЭС с среднесуточной мощностью больше гарантированной привела бы к преждевременному опорожнению водохранилища и чрезмерному уменьшению напора ГЭС. Таким образом, мы приходим к выводу, что полученная нами глубина сработки является тем пределом, до которого может ежегодно опорожняться водохранилище годичного регулирования. Та часть всего объема водохранилища, которая заключена между отметкой предельной сработки и отметкой НПУ, представляет собой полезный объем водохранилища.

При определении предельной глубины сработки водохранилища описанным выше способом мы в качестве исходного условия приняли гарантированный график среднесуточной мощности ГЭС. Но так как ГЭС, имеющая водохранилище годичного регулирования, одновременно ведет и суточное регулирование, то в часы суточного пика нагрузки энергетической системы она должна развивать мощность, большую, чем среднесуточная. При глубокой сработке водохранилища и значительном уменьшении напора располагаемая по напору мощность ГЭС может быть равной или даже большей гарантированной среднесуточной мощности. В таких случаях, несмотря на то, что ГЭС может работать по обеспеченному графику среднесуточной мощности, все же наступает нарушение нормальной работы энергетической системы. Следовательно, в этом случае предельная отметка сработки водохранилища годичного регулирования, до которой оно должно ежегодно опорожняться, должна лежать выше той, которая была нами определена ранее. По годовому графику гарантированной пиковой мощности ГЭС и по характеристикам установленных на ней турбин нетрудно определить, какой минимальный напор необходимо иметь и, следовательно, какой уровень воды в водохранилище должен поддерживаться на любую календарную дату за все время опорожнения водохранилища. Кривая зависимости необходимого минимального уровня воды в водохранилище от времени построена на рис. 5. На этом же графике нанесена кривая зависимости уровня воды в водохранилище от времени при работе ГЭС по гарантированному графику среднесуточной мощности. Из всех таких кривых на рис. 5 показаны только две. Одна из них, изображенная в виде сплошной линии, получена в таком гидрологическом году, когда сработка водохранилища к концу маловодного сезона как раз совпадает, как это видно из графика, с. допустимой сработкой по условию получения необходимой пиковой " мощности на ГЭС. Такая глубина сработки водохранилища и должна рассматриваться как предельная, т. е. как такая, до которой ежегодно опорожняется водохранилище. На этом же чертеже пунктиром изображена та кривая зависимости уровня воды в водохранилище от времени, которая ранее была принята для определения глубины сработки по среднесуточной мощности.

Наибольшая нагрузка энергетической системы, когда от ГЭС требуется участие в балансе мощности всей ее полной вытесняющей мощностью, в большинстве случаев не совпадает по времени с наибольшим опорожнением водохранилища. Годовой пик нагрузки энергетической системы обычно проходит в конце декабря и начале января, полное же опорожнение водохранилища происходит в конце маловодного сезона, т. е. весной, перед наступлением паводка. В связи с этим во время наиболее глубокой сработки водохранилища гарантированная пиковая мощность несколько меньше максимальной. Это позволяет увеличить сработку водохранилища к концу маловодного сезона. Такой случай изображен на рис. 5.

Для низконапорных ГЭС, у которых напор и располагаемая мощность ГЭС находятся в зависимости от колебаний уровня воды в нижнем бьефе, при определении предельной глубины сработки водохранилища следует учитывать неустановившийся характер движения воды в нижнем бьефе ГЭС при суточном регулировании. Большое, но кратковременное увеличение нагрузки ГЭС не оказывает значительного влияния на величину напора и, следовательно, располагаемой мощности ГЭС. Поэтому для низконапорных ГЭС пиковый режим рабочей мощности и регулирование частоты в энергетической системе представляются более выгодными, так как они позволяют несколько увеличить используемый такими ГЭС полезный объем водохранилища годичного регулирования, а вместе с тем и количество вырабатываемой ГЭС энергии.

Если в составе вытесняющей мощности ГЭС имеется резервная мощность, в частности, если на ГЭС установлен нагрузочный резерв энергетической системы, то его величина должна, конечно, учитываться при определении глубины сработки водохранилища годичного регулирования, допустимой по условию получения необходимой пиковой мощности на ГЭС.

Ограничения глубины сработки водохранилища годичного регулирования могут быть вызваны и другими причинами, кроме той, которая отмечена выше и которая зависит от характеристик установленных на ГЭС турбин. Одной из таких дополнительных причин может быть заиление водохранилища наносами, заполняющими не только мертвый объем, определяемый по энергетическим условиям, но и часть полезного объема водохранилища. Другой пример ограничения глубины сработки водохранилища может встретиться в плотинно-деривационных схемах. Такой случай изображен на рис. 6.

Если плотина такой ГЭС достаточно высока, то водохранилище могло бы иметь очень большой полезный объем, если отметку предельной сработки определять на основании энергетических расчетов, изложенных выше. В этом случае напорный деривационный туннель должен был бы занять по высоте положение, показанное на чертеже пунктиром. Но тогда при большой длине туннеля и при большом уклоне внутреннее давление в его нижней части у соединения с турбинным трубопроводом оказалось бы чрезвычайно большим в то время, когда водохранилище наполнено до НПУ. Это требовало бы усиления и потому удорожания облицовки туннеля, что может оказаться экономически невыгодным. По этой причине для уменьшения внутреннего давления в туннеле его приходится располагать выше, как показано на чертеже сплошными линиями. Так как УМО в водохранилище должен быть выше водоприемных отверстий деривации, то это приводит к уменьшению полезного объема водохранилища.

Также, ограничения глубины сработки водохранилища годичного регулирования могут вызываться условиями работы других потребителей воды.

Наконец, при выборе глубины сработки водохранилища следует учитывать оборудование, которое будет установлено на ГЭС. Не существует турбины одинаково хорошо работающей и при напоре в 100 м и 50 м. В общем случае, отношении минимального напора к предельному турбины для турбин РО - 0,6; для вертикальных ПЛ и ПЛД – 0,5; для горизонтальных ПЛ-0,35. Это значит, если разделить минимальный напор при выбранной глубине сработки на предельный напор предполагаемого оборудования, должно получиться число не меньше указанных. Например, если на напор на ГЭС при НПУ 110 м, то при установке турбины РО115 следует срабатывать водохранилище не ниже чем на 46 м, (115*0,6= 69м), меньше сработать можно (и для жестколопастных турбин чем меньше колебания напоров тем лучше), больше – нет.

9.2 Обоснование оптимальной глубины сработки водохранилища

Выше мы уже рассматривали энергетическую характеристику или кривую выработки электроэнергии за период опорожнения водохранилища в зависимости от глубины сработки водохранилища.

Для удобства восприятия полную энергию получали как сумму двух составляющий: энергии транзитного стока и энергии за счет сработки водохранилища.

Отмечалось, что величина Эсраб растет до определенного предела h о , после чего снижение напора не компенсируется увеличением используемого стока и полная выработка снижается.

Если изменится транзитный сток за период сработки водохранилища, то изменится и положение кривой. Пунктирная кривая соответствует меньшему значению за время сработки транзитного стока. Такое уменьшение может быть следствием как более низкой водности, так и сокращения периода сработки водохранилища. Новое положение заняла и кривая суммарной энергии ГЭС. Максимум выработки в этом случае соответствует другой глубине сработки h о1 .

Аналогичный характер имеет и кривая полной годовой выработки электроэнергии ГЭС на рис. 7

Однако из сопоставления двух упомянутых кривых видно, что максимальная годовая выработка наступает при меньшей конечной глубине сработки, чем выработка за период опорожнения водохранилища. Обусловлено это тем, что в период наполнения водохранилища выработка уменьшается за счет снижения и напора, и расхода.

На рис. 7пунктирными кривыми показана выработка ГЭС с учетом дополнительной выработки на других ГЭС каскада. С учетом эффекта на нижележащих станциях каскада глубина сработки, обеспечивающая максимальную выработку, получается большей.

Итак, каждому сочетанию исходных условий (транзитный сток, режим и длительность сработки, схема каскада и т. д.) соответствует своя глубина сработки водохранилища, при которой будут иметь место максимальные значения обеспеченной годовой выработки электроэнергии ГЭС.

Однако эта глубина сработки не может быть принята окончательно в качестве оптимальной. Анализ представленных выше графиков дает лишь зону, в пределах которой следует искать оптимальную глубину сработки водохранилища. Для обоснования ее кроме изменения энергетических показателей приходится учитывать и другие последствия сработки водохранилища.

Наряду с увеличением выработки, обеспеченной и установленной мощности возрастание полезного объема приводит к росту затрат. Так, более глубокая конечная сработка водохранилища связана с большим заглублением водозабора и удорожанием затворов и гидротехнических сооружений. Увеличение установленной мощности проектируемой ГЭС также связано с дополнительными капитальными вложениями и издержками.. Это затраты на расширение здания ГЭС, увеличение суммарной мощности генераторов, электрическую часть, турбинное оборудование и т. д.

Дополнительные затраты по турбинному оборудованию вызваны увеличением диаметра колеса или числа турбин. Оба мероприятия используются для увеличения установленной мощности и компенсации снижения располагаемой мощности турбин при снижении расчетного напора из-за более глубокой сработки водохранилища. При каскадной схеме использования водотока увеличение полезного объема водохранилища проектируемой ГЭС может привести к целесообразности увеличения установленной мощности на нижних ГЭС каскада. Это также связано с дополнительными капиталовложениями и издержками.

Наконец, при комплексном использовании водотока могут потребоваться дополнительные капиталовложения и издержки по сопутствующим мероприятиям. Таким образом, дополнительные капиталовложения, вызванные увеличением глубины сработки водохранилища при переходе от одного варианта к другому, представляют собой сумму

Аналогично определяются дополнительные издержки и приведенные затраты. Все экономические показатели используются в расчетах с учетом фак­тора времени. Соответственно для варианта проектируе­мой ГЭС рассчитываются заменяющие варианты, для которых также определяются изменения капиталовло­жений, издержек и затрат при последовательном перехо­де от предыдущего варианта к последующему.

В общем случае затраты по заменяемым вариантам или их изменения А3 зам представляют собой сумму за­трат (или приращений) по заменяемым электростан­циям, топливу и сопутствующим мероприятиям

Знак минус при втором слагаемом может иметь место при переходе между вариантами в зоне от /г 0Г од До ha (рис. 7), т. е. когда при увеличении глубины сра­ботки мощность продолжает увеличиваться, а годовая выработка уже начинает снижаться.

Однако надо иметь в виду, что уменьшение выработ­ки не всегда тождественно уменьшению экономии топ­лива. Дело в том, что удельная экономия топлива Ь ш в разные сезоны года различна, в частности, зимой, выше, чем в весенне-летний период. Поэтому при увеличении выработки в период сработки водохранилища (зимой) и уменьшении ее в период наполнения водохранилищ, несмотря на общее уменьшение годовой выработки, суммарная экономия топлива может не снижаться, а возрастать. Для правильной оценки этой составляющей затрат, очевидно, необходимо расчеты по определению экономии топлива производить раздельно по сезонам.

Все показатели по заменяемым вариантам должны определяться соответственно полному эффекту на проектируемой ГЭС и других ГЭС каскада с учетом разновременности получения и использования его.

Обоснование оптимальной глубины сработки водохранилища производится по одному из следующих условий:

по равенству приращения затрат при изменении глубины сработки на величину Δh

по равенству срока окупаемости дополнительных капиталовложений нормативной величины при увеличtнии сработки на Δh

При проектировании гидроузлов с водохранилищами многолетнего регулирования необходимо дополнительно проводить расчеты по определению сроков первоначального его наполнения и режима выхода ГЭС на проектную энергоотдачу.

Водохрани́лище – искусственный водоём , созданный для накопления и последующего использования воды и регулирования стока .

Водохранилища стали сооружать ещё в глубокой древности для обеспечения водой населения и сельского хозяйства. Одним из первых на Земле считают водохранилище с плотиной Садд эль Кафара, созданное в Древнем Египте в 2950–2750 гг. до н. э. В XX в. водохранилища стали сооружать повсеместно. В настоящее время их на земном шаре более 60 тыс.; ежегодно в строй вводится несколько сот новых водохранилищ. Общая площадь всех водохранилищ мира более 400 тыс. км 2 , а с учетом подпруженных озёр – 600 тыс. км 2 . Суммарный полный объём водохранилищ достиг почти 6,6 тыс. км 3 . Многие реки земного шара – Волга , Днепр , Ангара , Миссури, Колорадо, Парана и другие – превращены в каскады водохранилищ. Через 30–50 лет водохранилищами будет зарегулировано 2/3 речных систем земного шара.

Приблизительно 95% объёма всех водохранилищ мира сосредоточено в крупных искусственных водоёмах с полным объёмом более 0,1 км 3 . В настоящее время таких водохранилищ более 3 тыс. Большинство из них расположено в Азии и Северной Америке, а также в Европе.

В России насчитывается более 100 крупных водохранилищ с объёмом более 0,1 км 3 каждое. Их суммарные полезный объём и площадь равны соответственно около 350 км 3 и более 100 тыс. км 2 . Всего же в России, более 2 тыс. водохранилищ.

Самые большие по площади водохранилища в мире (без учета подпруженных озёр) – это Вольта в Гане на р. Вольте, Куйбышевское в России на Волге, Братское в России на Ангаре, Насер (Садд-эль-Ааои) в Египте на Ниле. Самый большой полезный объём (без учета подпруженных озёр) имеют водохранилища Вольта, Насер, Братское, Кариба (на р. Замбези в Замбии и Зимбабве).

Назначение водохранилищ

Строительство и эксплуатация водохранилищ позволяет более рационально использовать водные ресурсы . Накопленную в водохранилищах воду используют для орошения и обводнения земель, водоснабжения населённых пунктов и промышленных предприятий, санитарных промывок речных русел , улучшения судоходных условий ниже по течению в маловодный период года и т. д. С помощью водохранилищ регулируют речной водный сток для гидроэнергетики, с целью предотвращения наводнений . Водохранилища используют также для рыбного хозяйства, водного транспорта, рекреации (отдыха людей), водного спорта.

По способу заполнения водой водохранилища бывают запрудные, когда их наполняет вода водотока , на котором они расположены, и наливные, когда вода в них подается из рядом расположенного водотока или водоёма. К наливным водохранилищам относятся, например, водохранилища гидроаккумулирующих электростанций.

По географическому положению водохранилища делят на горные, предгорные, равнинные и приморские. Первые из них сооружают на горных реках, они обычно узкие и глубокие и имеют напор, т. е. величину повышения уровня воды в реке в результате сооружения плотины, 100–300 м и более. В предгорных водохранилищах обычно высота напора 30–100 м. Равнинные водохранилища обычно широкие и мелкие, высота напора – не более 30 м. Приморские водохранилища с небольшим (несколько метров) напором, сооружают в морских заливах, лиманах, лагунах, эстуариях .

Примерами высоконапорных горных водохранилищ служат Нурекское и Рогунское на Вахше с высотой напора около 300 м. К предгорным водохранилищам могут быть отнесены некоторые водохранилища Енисейского и Ангарского каскадов: Красноярское (высота напора 100 м), Усть-Илимское (88 м). Примерами равнинных водохранилищ могут служить водохранилища Волжского и Днепровского каскадов: Рыбинское (высота напора 18 м), Куйбышевское (29 м), Волгоградское (27 м), Каневское (15 м), Каховское (16 м). К приморским водохранилищам относятся, например, опреснённая водами Дуная лагуна Сасык на западном побережье Чёрного моря на Украине, водохранилище Эйсселмер в Нидерландах, образованное в результате отчленения дамбой от Северного моря залива Зейдер-Зе и его опреснения водами Рейна.

По месту в речном бассейне водохранилища могут быть подразделены на верховые и низовые. Система водохранилищ на реке называется каскадом.

По степени регулирования речного стока водохранилища могут быть многолетнего, сезонного, недельного и суточного регулирования. Характер регулирования стока определяется назначением водохранилища и соотношением полезного объёма водохранилища и величины стока воды реки .

Основные характеристики водохранилищ

Для описания водохранилищ применимы те же показатели, что и для озёр. Из морфометрических характеристик водохранилища наиболее важны площадь его поверхности и объём вод. Форма водохранилища определяется характером заполненного водой понижения земной поверхности. Котловинные водохранилища обычно имеют озеровидную форму, долинные – вытянутую. Многие долинные водохранилища расширяются по направлению к плотине, имеют изрезанные берега и многочисленные заливы (затопленные устья притоков).

Любое водохранилище рассчитывается на накопление некоторого объёма воды в период наполнения и на сброс этого же объёма в период его сработки. Накопление нужного объёма воды сопровождается повышением уровня до некоторой оптимальной величины. Такой уровень обычно достигается к концу периода наполнения, может поддерживаться плотиной в течение длительного времени и называется нормальным подпорным уровнем (НПУ). В редких случаях, во время высокого половодья или крупных паводков , допускается временное превышение НПУ на 0,5–1 м. Такой уровень называют форсированным подпорным уровнем (ФПУ). Предельно возможным снижением уровня воды в водохранилище является достижение уровня мёртвого объёма (УМО), сработка объёма воды ниже которого технически вообще невозможна.

Объём водохранилища, находящийся ниже УМО, называется мёртвым объёмом (МО). Для регулирования стока и периодической сработки используется объём водохранилища, находящийся между УМО и НПУ. Этот объём называют полезным объёмом (ПО) водохранилища. Сумма полезного и мёртвого объёмов дает полный объём, или ёмкость водохранилища. Объём воды, заключённый между НПУ и ФПУ, называют резервным объёмом.

В пределах запрудного долинного водохранилища выделяют несколько зон: зону переменного подпора, верхнюю, среднюю и нижнюю.

Влияние водохранилищ на режим рек и окружающую среду

Главное воздействие водохранилищ на реки – это регулирование стока. Оно в большинстве случаев проявляется ниже по течению в уменьшении стока воды в половодье (его «срезка») и увеличении стока в маловодный период года (в межень). Сезонное регулирование стока водохранилищами ведёт к сглаживанию колебаний уровней воды ниже водохранилища в течение года.

Ниже водохранилищ полностью преображается водный режим рек, изменяются характер заливания поймы, русловые процессы, режим устьев рек и т. д. В областях недостаточного увлажнения воздействие водохранилищ приводит к высыханию речных пойм и дельт , что может нанести серьёзный ущерб хозяйству. Осушение пойм в зоне избыточного увлажнения – наоборот, явление положительное, способствующее их хозяйственному освоению.

Так же, как и озёра, водохранилища замедляют водообмен в гидрографической сети речных бассейнов . Сооружение водохранилищ привело к увеличению объёма вод суши приблизительно на 6,6 тыс. км 3 и замедлению водообмена приблизительно в 4–5 раз. Наиболее сильно замедлился водообмен в речных системах Азии (в 14 раз) и Европы (в 7 раз). Для рек бывшего СССР водохранилища увеличили среднее время пребывания вод в речных системах с 22 до 89 суток, т. е. в 4 раза. После сооружения каскада водохранилищ водообмен в бассейнах рек Волги и Днепра замедлился в 7–11 раз.

Сооружение водохранилищ всегда ведёт к уменьшению как стока воды вследствие возрастания водозабора на хозяйственные нужды и дополнительных потерь на испарение с поверхности водоёма, так и стока наносов, биогенных и органических веществ вследствие их накопления в водоёме.

В результате сооружения водохранилищ возрастает поверхность, покрытая водой; поскольку испарение с водной поверхности всегда больше, чем с поверхности суши, потери на испарение также возрастают.

В условиях избыточного увлажнения (например, в тундре) испарение с водной поверхности ненамного превышает испарение с поверхности суши. Поэтому при избыточном увлажнении сооружение водохранилищ практически не сказывается на уменьшении водного стока рек. В условиях недостаточного увлажнения (например, в зоне степей), а в особенности в условиях засушливого климата (в пустынях и полупустынях), сооружение водохранилищ приводит к существенным потерям водного стока рек на дополнительное испарение.

Степень уменьшения речного стока в результате сооружения водохранилищ возрастает по территории Европейской части России с севера на юг.

Во всех водохранилищах мира в конце ХХ в. терялись на испарение 120 км 3 воды в год, т.е. около 3% стока всех рек мира. Наибольшие потери речного стока свойственны водохранилищам Насер (8,3 км 3 /год) и Вольта (4,6 км 3 /год).

В то же время, водохранилища служат мощными поглотителями биогенных и загрязняющих веществ благодаря процессам их разложения и осаждения. Однако это положительное воздействие водохранилищ на качество воды может произойти лишь при правильном режиме эксплуатации водохранилища, при условии ограничения антропогенной нагрузки на качество воды и проведении природоохранных мероприятий на водосборе водоёма. В некоторых случаях требуется и реконструкция самого водохранилища.

В результате сооружения водохранилищ и отложения в них речных наносов существенно уменьшается их сток. Водохранилища действуют как «ловушки» для переносимых реками наносов. Отложение в водохранилищах мелких (взвешенных) наносов называют заилением водохранилища, отложение крупных (влекомых) наносов – его занесением. По некоторым современным оценкам, в ХХ в. сток наносов всех рек мира под влиянием водохранилищ уменьшился на 25%.

После сооружения водохранилищ сток наносов в устьях рек Волги, Риони, Дуная, Куры и Миссисипи сократился приблизительно в 2 раза, в устьях рек Сулака , Тибра и Нила – в 8–10 раз, в устье Эбро – в 250 раз (!). В последнем случае столь значительное уменьшение стока наносов объясняется близостью крупных водохранилищ к устью реки.

Уменьшение стока наносов рек вследствие их отложения в водохранилищах может вызвать нарушение баланса наносов в устьях рек и стимулировать частичное волновое разрушение дельты и соседних морских берегов, как это уже произошло в 1970-х гг. в устье Нила после возведения Высотной Асуанской плотины и создания водохранилища Насер, а также в устье Сулака после сооружения Чиркейского водохранилища в 1974 г. и в устье Эбро после строительства водохранилищ Мекиненса и Рибарроха в 1964 и 1969 гг. соответственно.

Заметное влияние водохранилища оказывают на термический и ледовый режим рек. Наиболее характерно выравнивающее воздействие водохранилищ на температуру воды в реке. Так, на Енисее ниже Красноярского водохранилища температура воды стала в мае–июне на 7–9°С и в июле–августе на 8–10°С ниже, а в сентябре на 8° и в октябре на 9°С выше, чем до зарегулирования реки.

Водохранилища оказывают заметное воздействие на природные условия сопредельных территорий. Сооружение крупных водохранилищ приводит к затоплению земель, повышению уровня грунтовых вод , способствующих подтоплению и заболачиванию территорий. Потеря земель при затоплении – наиболее существенное негативное последствие сооружения водохранилищ. По некоторым оценкам, суммарная площадь такого затопления в мире равна приблизительно 240 тыс. км 2 , что составляет 0,3% земельных ресурсов суши. Площади затопления на территории бывшего СССР составили порядка 80 тыс. км 2 . В результате сооружения водохранилищ озёрность территории России возросла до 4%.

Очевидно, что период строительства крупных водохранилищ, приводящих к большим затоплениям земель, окончился. В последнее время отдаётся явное предпочтение сооружению небольших водохранилищ, в частности, в горных и предгорных районах.

Водохранилища ведут к изменению микроклиматических условий (выравниванию внутригодовых колебаний температуры воздуха, усилению ветра, некоторому увеличению влажности воздуха и атмосферных осадков), волновому размыву берегов.

После сооружения водохранилища изменяется почвенно-растительный покров на затопленных и подтопленных землях. Полагают, что влияние водохранилищ распространяется на сопредельную территорию, приблизительно равную по площади самому водохранилищу. Кроме того, в результате сооружения водохранилищ часто ухудшаются условия прохода на нерест многих пород рыб; нередко ухудшается качество воды вследствие возникновения в некоторые периоды года дефицита кислорода в придонных слоях, накопления солей и биогенных веществ, цветения воды . Считают также, что сооружение водохранилищ может привести к увеличению сейсмичности в горных районах (дополнительный вес накопленных в водохранилище вод усиливает внутреннее напряжение в горных породах, нарушает их устойчивость и приводит к землетрясениям).

Таким образом, водохранилища оказывают довольно сложное и противоречивое воздействие и на режим рек, и на природные условия сопредельных территорий. Давая несомненный положительный экономический эффект, водохранилища нередко вызывают и весьма негативные экологические последствия. Всё это требует, чтобы при проектировании водохранилищ более внимательно учитывался весь комплекс гидрологических, физико-географических, социально-экономических и экологических аспектов. Возникает необходимость в экологическом прогнозе, который невозможен без помощи гидрологии .

Важное значение при этом имеют мероприятия, осуществляемые в процессе создания и эксплуатации водохранилища с целью предотвращения нежелательных последствий и максимального использования положительного эффекта от создания водохранилища. К таким мероприятиям относятся: инженерная защита от затопления территорий и объектов (населённых пунктов, сельскохозяйственных угодий, предприятий, мостов и т. д.); переселение жителей, перенос предприятий, дорог и т. д., очистка ложа водохранилища от леса и кустарников, создание водоохранных зон; восстановление лесных, рыбных, охотничьих и других ресурсов; транспортное, рыбохозяйственное, рекреационное и другое освоение водоёма, инженерное обустройство акватории и береговой зоны водохранилища и т. д.

В.Н. Михайлов, М.В. Михайлова

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.

— 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.