содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..

КЛАССИФИКАЦИЯ ВОДОХРАНИЛИЩ

Более 30 тыс. водохранилищ земного шара, эксплуатируемых в настоящее время, существенно различаются между собой по параметрам, режимным характеристикам, направлению хозяйственного использования и воздействию на окружающую среду.' Трудно назвать более яркий пример человеческой деятельности, где так полно и сложно переплетается (иногда самым причудливым образом) весь спектр актуальных для современного человечества проблем — энергетических и продовольственных, экологических и социальных, экономических и технических, инженерных и природоохранных.

Для решения многих не только научных, но и практических вопросов проектирования, создания и использования водохранилищ особо важное значение приобретает упорядочение и систематизация колоссального объема разнообразных сведений и данных о водохранилищах. Разработка фундаментальной и универсальной (многомерной) классификации и типизации водохранилищ требует одновременного учета природных, технических, экологических и социальных аспектов и их специфики для регионов с разными природно-хозяйственными и социальными условиями. Решение этой задачи затруднено из-за недостатка комплексных данных и неполной изученности многих указанных выше аспектов не только в развивающихся, но даже и в промышленно развитых капиталистических странах мира. Поэтому необходимый начальный этап универсальной систематизации водохранилищ — разработка частных (по отдельным критериям, параметрам и признакам) классификаций и типизаций,

ряд которых охарактеризован ниже.

6. Характерные типы водохранилищ по генезису
1 — речное долинное, созданное подпором реки плотиной; 2 — наливное; 3 — смешанное — наливное и долинное;
4 — очеро-водохранилище; 5 — отчлененное от моря и опресненное; 6 — отчлененное от моря без опреснения (приливная электростанция); 7 — на временном водотоке

Типизация по генезису. В основу типизации водохранилищ может быть положен прежде всего признак генезиса, указывающий на способ их образования. Естественные емкости, в которых аккумулируется вода, принято называть чашами водохранилищ (рис. 6). Используя этот признак, следует различать водохранилища в долинах рек, перегороженных плотинами, в том числе и на временных водотоках; наливные водохранилища; зарегулированные озера (озера-водохранилища); водохранилища в местах выхода грунтовых вод и в карстовых районах; водохранилища прибрежных участков моря и эстуариев, отделенных от открытого моря дамбами (Авакян, Шарапов, 1977; Водохранилища мира, 1979).

Во всех странах мира наибольшее количество водохранилищ расположено в долинах рек. Их площадь колеблется от долей до нескольких тысяч квадратных километров. Среди водохранилищ, созданных в речных долинах, наибольшее по площади — водохранилище Вольта в Гане (рис. 7), а по объему — Братское в СССР.
Водохранилища на временных водотоках чаще всего создаются в странах с аридным климатом или районах с муссонным климатом, а также в субниваль-ном климате горных стран. Небольшие водохранилища, расположенные на пересыхающих потоках (вади или уэды), особенно многочисленны в Юго-Восточной Индии (штат Мадрас), в Шри-Ланке, в предгорных пустынях и полупустынях Северной Африки и Аравии. В питании их большую роль играют воды, образующиеся во время таяния снегов, выпадающих иногда в горах. Водохранилища, сооружаемые в высокогорных долинах и цирках в пределах субнивального пояса, собирают воды тающих фирновых полей и ледников.


Наливные водохранилища чаще всего создаются в естественных депрессиях, куда по каналам подаются преимущественно избыточные паводковые воды рек. В качестве примеров наливных ирригационных водохранилищ можно назвать Каттакурганское, Тудакульское, Куюмазарское и ряд других в Узбекской ССР. В Ираке созданы крупные наливные водохранилища Вади-Тартар, Хаббания, Абу-Дибс для аккумуляции паводковых вод Тигра и Евфрата.
Особую группу водоемов, связанных с эксплуатацией каналов, составляют водохранилища — коллекторы сбросных вод. Водоемы этой группы создаются ниже основных массивов орошаемых земель с целью сбора возвратных вод. Крупнейшим таким водохранилищем в СССР можно считать оз. Сарыкамыш, питаемое сбросными водами Хорезмского оазиса.

Озера-водохранилища (зарегулированные озера). Значительное число водохранилищ создано путем подпора и искусственного регулирования водообмена естественных озер. Обычно такое регулирование достигается устройством плотины на реке, вытекающей из проточного озера. В отдельных случаях озера-водохранилища создаются путем подпора и объединения нескольких озер, относящихся к разным речным бассейнам. Например, в крупном водохранилище Смолвуд (Черчилл), на полуострове Лабрадор в Канаде, аккумуляция воды осуществляется путем подпора (с помощью 17 плотин) и объединения нескольких озер; теперь их сток сбрасывается в одном направлении — в р. Черчилл.

К озерам-водохранилищам нами отнесены водохранилища, образованные путем подпора озер при относительно не-
большом изменении основных параметров этих естественных водоемов. С определенной долей условности можно принять, что озерами-водохранилищами следует считать водохранилища, площадь которых в результате подпора увеличилась не более чем на 1/з по сравнению с первоначальной.

На земном шаре насчитывается несколько тысяч водохранилищ, созданных путем зарегулирования озер. Точно учесть их общее количество трудно, потому что часто уровень небольших озер искусственно повышается невысокими плотинами, не учитываемыми Мировым регистром плотин и другими справочными изданиями.

Преимущество зарегулированных озер по сравнению с другими типами водохранилищ заключается в том, что при незначительном подпоре и небольшой площади затопления земель можно аккумулировать большой объем воды.

Среди крупнейших озер мира, уровень которых поднят плотинами, — оз. Виктория в Африке, Байкал в СССР, Виннипег и Онтарио в Северной Америке. Значительны по площади и объему многие другие озера-водохранилища — Онежское, Имандровское, Кумское, Шекснинское, Сегозерское, Волховское и другие в СССР, Сайменское, Инари, Венерн в зарубежной Европе, Рейни-Лейк, Лесное, Окичоби, Даниел-Джонсон, Рейндир в Северной Америке, Гордон в Австралии.

К специфической категории относятся так называемые подземные водохранилища, при создании которых в качестве емкости используются подземные пустоты, например карстовые. Примеры использования карстовых пустот для сохранения воды известны в Югославии (водохранилища Врла-Ш, Кокин Брод, каскады на реках Мережница и Добра). В настоящее время на земном шаре имеются сотни небольших подземных водохранилищ, их число будет, несомненно, возрастать, так как при их создании не происходит затопления территории и нет потерь воды на испарение.

В последние годы все большее внимание и интерес специалистов и общественности вызывает создание водохранилищ в морских заливах, бухтах, лиманах и эстуариях, которые отгоражива-
ются от моря плотинами и дамбами. В результате поступления поверхностного или подземного пресного стока в таких отделенных, отгороженных от моря акваториях происходит постепенное вытеснение соленой морской воды пресной водой, пригодной для технического водоснабжения или иных целей.
 

Морские водохранилища созданы в Нидерландах (Исселмер и др.), проектируются в Великобритании и других странах. В СССР на трассе будущего канала Дунай — Днепр создано водохранилище в лимане Сасык, и в ближайшие годы будет создано подобное водохранилище в Днепровско-Бугском лимане. Особенно большой интерес и горячую дискуссию вызвало предложение создать огромное морское пресноводное водохранилище (объемом в сотни кубических километров площадью несколько тысяч квадратных километров) в Онежской губе Белого моря, воду из которого предлагалось подавать в систему переброски стока северных рек на юг.

Типизация водохранилищ по географическому положению. Водохранилища — объекты азональные, в зависимости от потребностей хозяйства они могут быть сооружены в любой географической зоне, там, где позволяют условия рельефа и стока. Однако особенности гидрологического, гидрохимического и биологического режимов водохранилищ существенно зависят и от зональных факторов (рис. 8).

При прогнозировании природных процессов в новых водохранилищах и подборе с этой целью соответствующих водоемов-аналогов в первую очередь должно учитываться их расположение в пределах широтного или высотного географического пояса. Водохранилищ совсем нет в арктическом, антарктическом и субантарктическом поясах. Только несколько водохранилищ имеется в субарктическом поясе и сравнительно немного — в экваториальном. Водохранилища эксплуатируются, строятся и проектируются главным образом в умеренных, субтропических и тропических поясах.

Из азональных факторов самый существенный — рельеф. Водохранилище может быть создано в условиях как сильно, так и умеренно расчлененного рельефа, в пределах низменностей, холмистых равнин, предгорий, плато, плоскогорий, горных долин и каньонов. Характер рельефа местности, где создается водохранилище, определяет площади затопления земель на единицу объема и напора, морфологию и морфометрию водохранилища, частично режим сработки и наполнения, а также масштабы влияния водоема на природную среду и, наконец, возможности комплексного или отраслевого использования. Различают водохранилища равнин, предгорных и плоскогорных областей, горных областей (Авакян, Шарапов, 1968, 1977).
 

Водохранилища равнин характеризуются следующими основными признаками: значительной площадью зеркала и площадью затопления земель на единицу объема и напора; небольшой максимальной (редко более 25 м) и средней (обычно 5—9 м) глубинами; небольшой глубиной сработки (в пределах 2—7 м); большим изменением площади зеркала при колебаниях уровня; интенсивностью переработки берегов и подтопления земель, как правило, комплексным использованием, так как на большинстве равнинных территорий развито многоотраслевое хозяйство.

Водохранилища предгорных и плоскогорных областей отличаются следующими особенностями: большой максимальной (до 70—100 м) и средней (до 30— 35 м) глубиной; значительной глубиной сработки (до 10—20 м); меньшей, чем на равнинах, интенсивностью переработки берегов и подтопления; высокими и в большинстве своем крутыми берегами, что затрудняет хозяйственное освоение береговой полосы; относительно большими нарушениями в хозяйстве прилегающих районов, тем более что большинство хозяйственных объектов сосредоточено в долинах рек.

Горные водохранилища характеризуются сравнительно небольшой площадью акватории и небольшим затоплением земель, редко превышающим десятки квадратных километров; чаще всего большими глубинами (нередко более 100— 200 м); очень большой глубиной сработки (в некоторых случаях до 50—100 м и более); менее резкими, чем на равнинах, изменениями площади водного зеркала при сработке; отсутствием значительной ветроволновой переработки и подтопления берегов, сложенных водоупорными скальными породами; интен-
сивным заполнением наносами (заилением) в связи с большой величиной твердого стока горных рек и обвальными деформациями берегов.

В значительной мере факторами географической и высотной зональности определяются термический режим водохранилищ, наличие, мощность и продолжительность ледового покрова, а также повторяемость и выраженность явления термической стратификации (расслоения) водной массы. Термический режим водохранилищ по сравнению с озерами отличается гораздо большей сложностью и многообразием модификаций. Поэтому известная лимнологическая классификация (Hutchinson, Loffer, 1957) к водохранилищам мало применима.

В табл. 1-2 дана уточненная М. А. Фортунатовым (Водохранилища мира, 1979) классификация водохранилищ по их высотному положению с учетом климатических зон, в которых они расположены.

Типизация водохранилищ по конфигурации. Форма водохранилищ разнообразна и варьирует от узких вытянутых водоемов (рис. 9) до расширенных, которые по форме приближаются к неправильным эллипсам, многоугольникам и различным лопастным разветвленным фигурам (рис. 10).
 

Таблица 1-2
Классификация водохранилищ по высотному положению

Очертания водохранилищ (в плане) не являются постоянными, их форма и многие морфометрические показатели (ширина, длина, глубина) непрерывно, а зачастую и резко изменяются в зависимости от колебаний уровня воды. Поэтому морфометрия и морфология водохранилища, наблюдаемая при НПУ, далеко не всегда типичны для большей части года.

Имеется много предложений по типизации морфолого-морфометрического строения водохранилищ (Лифанов, 1946; Жадин, Герд, 1961; Авакян, Шарапов, 1977; Матарзин и др., 1977). Наиболее простой представляется типизация М. А. Фортунатова (1970), в соответствии с которой выделяются пойменные (русловые), долинные, озеровидные и водохранилища сложной формы. Их названия говорят сами за себя. У первых двух типов длина обычно значительно превышает ширину, причем ширина в большинстве случаев уменьшается от приплотинного участка к верхнему. Для водохранилищ озеровидной формы ширина и длина — сопоставимые параметры. Конфигурация водохранилищ сложной формы очень разнообразна, а подчас и причудлива.

Классификация водохранилищ по объему, площади и глубине. Среди показателей, характеризующих размеры водохранилищ, наиболее важны объем и площадь водного зеркала, поскольку именно этими параметрами определяется в значительной степени их воздействие на окружающую среду. Для репрезентативности сравнения размеров различных водохранилищ их параметры обычно приводятся при отметках НПУ и УМО. По озерам-водохранилищам учитывается толь-
ко объем регулируемого верхнего слоя воды (полезный объем), а не весь объем зарегулированного озера. Приведем классификацию А. Б. Авакяна и В. А. Шарапова (1977), основанную на анализе обширных материалов по водохранилищам мира (табл. 1-3).

До сих пор нет и общепринятой классификации водохранилищ по глубине — очень важного параметра, определяющего особенности многих гидрологических, физико-химических и биологических процессов. Классификация, предложенная М. А. Фортунатовым (Водохранилища мира, 1979) (табл. 1-4), позволяет группировать по наибольшей и средней глубинам водохранилища различных типов, включая и многие зарегулированные озера, хотя, конечно, глубочайшее в мире оз. Байкал (1620 м), подпертое плотиной Иркутской ГЭС, далеко выходит за рамки предлагаемой шкалы. Наиболее глубокие водохранилища мира — Нурекское (почти 300 м), Гранд-Дик-санс, Мовуазен, Оровил, Мика и др. (230—250 м); сооружаемое Рогунское водохранилище на р. Вахш будет иметь глубину свыше 300 м.
 

Таблица 1-3

Классификация водохранилищ по размерам

Таблица 1-4

Классификация водохранилищ по глубине

По характеру регулирования стока различают водохранилища многолетнего, сезонного (годичного), месячного, недельного и суточного регулирования (рис. 11, 12).

Многолетнее регулирование стока преследует цель задержать сток многоводных лет для использования его в маловодные годы; сезонное регулирование направлено на аккумуляцию в водохранилище стока многоводных периодов (половодья, дождевых паводков и т. п.) для использования в маловодные сезоны года. Сезонное регулирование речного стока осуществляют почти все водохранилища, предназначенные для ирригации, водоснабжения, борьбы с наводнениями, аккумуляции воды в целях обеспечения лесосплавных, судоходных, санитарных и других попусков (т. е. сброса воды вниз по реке), а также многие гидроэнергетические. Месячное, недельное и суточное регулирование стока осуществляется почти всеми водохранилищами гидроэлектростанций. Эти виды регулирования увеличивают неравномерность расходов воды по сравнению с естественными расходами.

13. График колебаний уровней воды при многолетнем регулировании речного стока. Уровни Цимлянского водохранилища в разные годы (СССР)

Глубина сработки уровня воды водохранилищ относится к числу важнейших показателей их гидрологического режима; она влияет на протекающие в них биологические процессы. Амплитуда колебаний уровней в водохранилищах обычно больше, чем в естественных озерах.

При большом разнообразии режимов уровней водохранилищ многолетнего и сезонного регулирования можно выделить такие их общие черты. Наибольшей высоты уровень достигает в конце половодья; затем он сохраняется в течение последующего времени, не одинакового по продолжительности и календарным срокам как на разных водохранилищах, так и на одном и том же водохранилище в годы различной водности. После этого накопленные воды постепенно используются на питание каналов, насосных станций и на сброс воды через турбины гидроэлектростанции или через другие водосливные отверстия в нижний бьеф гидроузла, в результате чего происходит снижение уровня воды; эта сработка водохранилища идет обычно медленно; до минимальных отметок уровень его снижается в предполоводный или пред-паводковый период (в СССР — к концу зимы). Затем с нарастанием притока паводковых вод начинается наполнение
водохранилища. Водохранилища многолетнего регулирования наполняются до НПУ не ежегодно, а, как правило, только раз в несколько лет (рис. 13).

В правилах эксплуатации ряда водохранилищ предусмотрена возможность превышать (форсировать) отметку НПУ при прохождении паводков редкой повторяемости в 1 % (в среднем 1 раз в 100 лет и менее); величина форсировки н^ водохранилищах СССР при половодьях средней повторяемости 1 % составляет обычно 20—70 см, а при повторяемости 0,1 и 0,01% — 1—3 м и более.

В результате анализа данных по нескольким сотням водохранилищ мира нами составлена их классификация по глубине сработки уровня (см. табл. 1-5).

Таблица 1-5
Классификация водохранилищ по величине сработки

Таблица 1-6
Классификация водохранилищ по водообмену

Классификация по водообмену. Для характеристики водообмена и степени проточности водохранилищ и озер разными авторами применяются различные показатели. Одним из основных и наиболее удобных показателей для характеристики смены воды, аккумулированной в водохранилищах,
можно считать осредненную водообмен-ность (отношение объема водохранилища при НПУ к объему среднегодового стока в створе плотины).

На основании сопоставления водооб-менности крупных водохранилищ СССР в табл. 1-6 приводится соответствующая классификация водохранилищ.

Естественно, что крупные озера-водо-хранилища по показателям водообмен-ности выходят за рамки приведенной классификации. Например, период смены полного объема Онежского (Верхне-свирского) водохранилища близок к 17 годам, а озера Байкал — примерно к 400 годам. Водообмен неглубоких проточных озер близок к водообмену водохранилищ многолетнего регулирования.

Разработка классификаций водохранилищ по гидрохимическим и гидробиологическим показателям приобретает важное социальное и экологическое значение в связи с истощением и ухудшением качества природной среды.

При типизации водохранилищ по химическому составу воды, его динамике используются многочисленные классификации поверхностных вод суши: по количеству растворенных в воде минеральных веществ, по соотношению между главными группами ионов, по особенностям газового режима (в основном кислорода и углекислого газа), по количественной и качественной характеристикам находящихся в воде органических веществ. В СССР наиболее распространена классификация природных вод, разработанная О. А. Алекиным (1949), согласно которой по минерализации выделяются пресные (до 1,0 г), солоноватые (1—25), морские воды (25—50) и рассолы (выше 50 г солей на 1 л). За немногими исключениями, вода в водохранилищах пресная или слабосолоноватая (в аридных районах). По сочетанию и соотношению основных классов анионов вод суши (гидрокарбонатных, сульфатных и хлоридных) выделяется 27 видов вод, характеризующихся разными свойствами, происхождением и распространением. По этим признакам могут быть классифицированы водохранилища разных природных поясов мира. Отметим, что гидрохимический режим водохранилищ, входящих в состав каскада, особенно на реках, текущих в меридиональном направлении и пересекающих разные природные зоны, формируется при взаимодействии зональных, азональных и интерзональных факторов (Фортунатов, 1970). Для классификации представляют интерес такие показатели качества, как цвет, прозрачность и интенсивность окрашенности (цветность), которые косвенно характеризуют содержание органических, гуминовых веществ.

В условиях усиливающегося загрязнения водоемов большую практическую важность приобретают классификации водохранилищ по характеру и степени воздействия поступающих в них загрязнений антропогенного происхождения. При этом может быть использован прежде всего критерий трофности и евтрофи-рования. Евтрофирование рассматривается ныне как процесс нарушения водной экосистемы; различают дистрофные, олиготрофные, мезотрофные, евтроф-ные, полиевтрофные и гиперевтрофные водохранилища; последние три класса трофности означают соответствующее (по степени) ухудшение качества вод.

В основу типизации водохранилищ по качеству воды может быть положен и показатель так называемой сапробности, устанавливаемый по характерному видовому составу живого населения вод (бактерий, планктона и бентоса), в соответствии с которым выделяются олигосап-робные (чистые), альфа- и бетамезоса-пробные (слабо и средне загрязненные) и полисапробные (сильно загрязненные) водохранилища или их отдельные участки.

И наконец, отметим, что для водоснабженческих и рекреационных водохранилищ особый интерес представляют классификации, основанные на комплексном учете различных показателей качества воды — химических, биологических и токсикологических (природного и искусственного происхождения). Во многих странах мира предприняты большие усилия для создания универсальных классификаций качества вод.

При классификации водохранилищ по качеству воды перспективны для использования недавно разработанные и принятые странами социалистического содружества (СЭВ) «Единые критерии качества вод» (1982), в основе которых — химические и гидробиологические показатели, в том числе «трофность» и «сапробность». Учитываются пять основных классов показателей: неорганические вещества, органические веще-
ства, неорганические промышленные загрязняющие вещества, органические промышленные загрязняющие вещества, биологические показатели. Выделяется шесть классов качества вод: I — вода очень чистая; II — чистая; III и IV — незначительно загрязненная; V — сильно загрязненная; VI — очень загрязненная.
 

содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..