содержание   ..  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  ..

Глава третья ВОДОХРАНИЛИЩА — СПЕЦИФИЧЕСКИЙ ПРИРОДНОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ КОМПОНЕНТ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ, ГИДРОХИМИЧЕСКИХ И ГИДРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ВОДОХРАНИЛИЩАХ

Создание водохранилищ и регулирование ими стока значительно преобразуют естественный гидрологический режим реки, что влечет за собой изменения и многих других природных процессов и условий. Эти изменения проявляются по-разному в верхних и нижних бьефах гидроузлов и совсем иначе — в районах их водохозяйственного влияния, т. е. в зонах потребления стока. Можно выделить следующие районы воздействия водохранилищ на окружающую среду:

I — само водохранилище и прилегающие территории;

II — район, в пределах которого сказываются последствия регулирования водохранилищем жидкого, твердого, химического и биологического стока реки для природы и хозяйства в нижнем бьефе гидроузла, включая дельту реки и взморье;

III — район изъятия стока из реки с подразделением на: а) подрайон изъятия стока на ограниченном участке реки (вследствие отвода воды в деривационные каналы или туннели ГЭС); при этом использованная вода на некотором расстоянии ниже плотины возвращается в ту же реку; б) подрайон уменьшения стока в результате безвозвратной переброски воды из водохранилища по деривационным, ирригационным, водоснабженческим и другим водным трактам в другой речной бассейн;

IV — район дополнительного стока (орошаемые массивы, обводняемые реки и т. п.).

На степень и направленность изменений окружающей среды в верхних бьефах гидроузлов, т. е. в пределах водохранилища, оказывают влияние в первую очередь его размеры, конфигурация, морфология чаши, состав слагающих дно и берега пород, режим эксплуатации, климатические условия района. На изменения в нижнем бьефе гидроузла в основном влияют степень преобразования стока в многолетнем, сезонном, недельном и суточном режимах, а затем и другие указанные выше факторы, а в зонах сокращения стока — степень его изъятия в целом и по сезонам года, величина боковой приточности и физико-географические условия долины.

Влияние водохранилищ на окружающую среду, как отмечают многие исследователи (Авакян, Шарапов, 1968 и 1977; Вендров, 1979; Вендров, Дьяконов, 1976; Bader, 1978; Link, 1970; Tondury, 1969; Fels, 1965, и др.), чрезвычайно разнообразно, может проявляться прямо и косвенно, может быть положительным и отрицательным, постоянным и временным, нарастающим, одинаковым по годам или затухающим.

В результате затопления территорий происходит изменение гидрографии регионов, иногда весьма существенное, и увеличивается их озерность. Существенно возрос (не считая таких крупнейших озер, как Великие американские, Великие африканские озера, а также Ладожское, Онежское и другие крупные озера СССР) фонд и удельный вес площади пресноводных водоемов на территории Бразилии, Мексики, США, СССР, Индии, Ганы, Ирака, Ирана и многих меньших по площади государств. Значительно возросла озерность некоторых горных районов в Альпах, Средней Азии, Японии, Австралии (Снежные горы).

Сооружение перегораживающего реку гидроузла приводит к подъему уровня воды на высоту от нескольких до 250— 300 м (рис. 26, 27, 28). Низконапорные плотины характерны для нижних течений равнинных рек, а самые высокие —
для каньонообразных долин горных рек.

Установленный для СССР коэффициент регулирования, т. е. средние соотношения полезного объема водохранилищ разного вида регулирования к объему годового стока рек (для многолетнего регулирования — 20—50% и для сезонного регулирования — 8—20%), в целом характерен для рек многих районов земного шара с близкими климатическими условиями. В районах с большей внутригодовой и многолетней неравномерностью стока, например в областях с муссонным климатом или в засушливых областях с редкими, но интенсивными ливнями, требуются, как правило, более емкие водохранилища, а в районах экваториального климата с более равномерным выпадением осадков — наоборот, меньшие емкости.

Многолетнее и глубокое сезонное регулирование речного стока осуществляют многие равнинные долинные водохранилища, большинство озер-водохра-нилищ, многие энергетические водохранилища горных и предгорных районов и водохранилища, предназначенные для борьбы с наводнениями и для ирригации в равнинных и предгорных районах.

Так, более 70% водохранилищ США объемом свыше 1 куб. км имеют коэффициент регулирования (т. е. отношение
полезного объема к среднемноголетнему стоку) 0,5 и более, позволяющий вести многолетнее регулирование. В СССР 36% водохранилищ объемом более

1 куб. км осуществляют многолетнее регулирование стока. Уровни воды в течение года на разных водохранилищах изменяются в пределах от нескольких десятков сантиметров до 100—200 м и более.

Многие водохранилища, особенно крупные, имеют объем, превышающий годовой сток реки, поэтому их первоначальное заполнение до отметки НПУ производится, как правило, в течение нескольких лет (Братское, Даниел-Джонсон, Бухтарминское, Кебан, Гордон М. Шрам, Вольта — 6—8 лет, Иркутское и Насер — 4 года и т. д.). Такое длительное заполнение приводит к затруднениям при подготовке и начальной эксплуатации водохранилищ.

При многолетнем регулировании стока уровни воды в водохранилищах в разные годы находятся на неодинаковых максимальных отметках. Это приводит к своеобразному нестабильному ходу процессов в береговой зоне, осложняет судоходство и эксплуатацию водозаборов, причалов и т. п. (Авакян, Шарапов, 1968, 1977).

31. Схема занесения и заиления водохранилища
1 — гравий; 2 — супесь; 3 — глинистоилистые частицы;
4 — мельчайшие частицы

Изменения уровня воды по сравнению с естественными условиями неодинаковы на разных участках водохранилища (рис. 29). Наибольшие изменения происходят в нижней зоне, а в зоне выклинивания подпора ход уровней и в половодье и в межень близок к ходу уровней на реке (Вендров, 1959).

При длительных ветрах одного направления наблюдаются сгонно-нагонные изменения уровней воды, которые резче проявляются на мелководных водохранилищах. Их продолжительность бывает от нескольких часов до нескольких суток, а общий перекос водной поверхности может превышать 1 м. Амплитуда сейше -вых колебаний уровня, вызываемых обычно резкими перепадами атмосферного давления над разными районами крупных водохранилищ, достигает нескольких десятков сантиметров.

Структура течений в водохранилищах отличается большей сложностью по сравнению с озерами. В результате взаимодействия стоковых, дрейфовых, компенсационных течений в водохранилищах формируется нестационарная система транзитно-циркуляционных течений, к тому же разная на различных участках водохранилищ. Наиболее гидродинамически активные зоны приурочены к бывшим речным руслам, зоны с водоворотной циркуляцией — к затопленным поймам и первым террасам речных долин, застойные зоны — к обширным, не имеющим притоков мелководным заливам, водообмен в которых про-
исходит только при глубокой сработке и наполнении водохранилищ.

Проточность водохранилищ, обусловленная в основном постоянными стоковыми течениями, влияет на интенсивность турбулентного перемешивания воды, ее температурную стратификацию (расслоение), минерализацию и аэрацию, гидрохимические и гидробиологические процессы. Проточность водохранилищ изменяется по годам и сезонам в зависимости от их водности и от использования водных ресурсов (Матарзин и др., 1977).

Объем и динамика водной массы определяют влияние водохранилища на температурный режим атмосферы над акваторией и прибрежной территорией. От морфолого-морфометрических особенностей водохранилища (длины, ширины, глубины и конфигурации) во многом зависят величина и направление ветрового волнения, которые в свою очередь влияют на переформирование дна и берегов, кислородный режим, возможность существования прибрежной водной растительности и др.

На реках высота волн обычно не превышает 0,5—0,8 м, а на крупных водохранилищах она достигает 2—3 м и более, причем на разных их участках изменяется очень значительно (рис. 30), что зависит от длины разгона ветровых волн и глубины. Значительно изменяется режим волнения по сезонам года; он зависит от метеорологических условий и изменений морфологических параметров водохранилищ (в связи с понижением их уровня при сработке). На крупных водохранилищах СССР повторяемость волн высотой более 1,2 м составляет около 5% навигационного периода, более 1,5 м — 2% и свыше 2м- 0,5%.

Характерная особенность водохранилищ — формирование в них различных по своим физическим, химическим и биологическим характеристикам водных масс, структура и конфигурация которых подвержена сезонным изменениям. Важная роль структуры и динамики водных масс в системе внутриводоемных процессов выявлена на основании многолетних комплексных исследований некоторых волжских водохранилищ (Буторин, 1969).

Вследстрие уменьшения скорости течения в водохранилищах по сравнению с рекой происходит отложение почти всех влекомых по дну реки наносов и значительной доли взвешенных твердых частиц; на верхнем участке водоема отлагаются крупные частицы (галька, гравий), на среднем — песок и еще ниже по течению — илистые частицы (рис. 31). В среднем в водохранилищах задерживается около 90—95% донных и взвешенных наносов, этот процесс называется занесением или заилением; чем меньше скорость течения в водохранилище, тем больше твердого стока отлагается в его чаше. Источниками поступления взвесей служат также продукты размыва берегов и дна, фитопланктон и высшая водная растительность, физико-химические и эоловые процессы (Буторин и др., 1975). На большинстве равнинных водохранилищ донные отложения сначала формируются преимущественно за счет продуктов разрушения берегов и дна; с течением времени их количество убывает, и начинают преобладать наносы, поступающие с поверхностным стоком.

У горных водохранилищ главный источник занесения и заиления — поверхностный сток. В песчаных пустынях важным источником заиления водохранилищ служат переносимые ветром песок и пыль, в районах интенсивного развития высшей водной растительности (экваториальный и тропические поясы) — продукты ее разложения, в умеренной
зоне — всплывающие и размываемые торфяники.

В результате отложения наносов и размыва выступающих участков дна и береговой линии происходят нивелирование рельефа дна (рис. 32) и уменьшение извилистости береговой линии за счет разрушения мысов и занесения заливов и бухт.

По термическому режиму водохранилища отличаются от рек неоднородностью температуры воды (по длине, ширине и глубине), достигающей в отдельные периоды 10°, а от озер — нестабильным характером изменения температур с глубиной и довольно высокой температурой придонных слоев воды вследствие более интенсивного ее перемешивания под действием ветровых и стоковых течений и нерещсо сброса воды в нижний бьеф из средних и даже нижних слоев.

32. Схема переформирования бухт а — при прямом подходе волны; бив — при косом подходе волны; 1 — зона абразии и эрозии;
2 — зона аккумуляции; 3 направление луча волны; 4 — циркуляционные и вдольбереговые течения

Ледовый режим водохранилищ зависит в основном от климатических факторов, но на него влияют также скорость течения и волнение. Специфическая черта ледового режима водохранилищ — оседание льда на дно по мере сработки водохранилища и смерзание его с грунтом. В районах с сильными морозами (Сибирь и Дальний Восток, Канадский Север, высокогорные районы) в верховых частях водохранилищ часто возникают зажоры и заторы из-за образования шуги, в результате чего иногда происходят затопления прилегающих земель (рис. 33).

По гидрохимическим и гидробиологическим особенностям водохранилища ближе к озерам, чем к рекам, причем совершенно особые условия создаются в первые 5—7 лет. Затопленные почвы, торфяники, растительность, продукты размыва берегов пополняют воду водохранилищ азотом, фосфором, железом, органическими веществами — сверх того, что поступает в водохранилище вместе с речным и подземным стоком с водосборной площади и с осадками. Малые скорости течения воды приводят к осаждению в них больших количеств биогенных веществ (азота, фосфора и т. п.).

Гидрохимический режим водохранилищ формируется под влиянием процессов, происходящих на водосборе, в береговой зоне и в самом

водоеме. Причем необходимо со всей определенностью подчеркнуть, что влияние водохранилищ на качество воды неоднозначно и не может квалифицироваться только как положительное или только как негативное.

33. Зажор в районе выклинивания подпора от Иркутской ГЭС в январе 1957 г. (уел. обозн. см. рис. 56).

Из всего многообразия физико-химических показателей состава воды в водохранилищах наиболее изучены такие имеющие первостепенное значение, как минерализация и ионный состав, газовый режим, прозрачность и цветность воды, биогенные соединения, органические вещества, микроэлементы и некоторые виды наиболее распространенных загрязняющих веществ (нефтепродукты, токсические соединения тяжелых металлов, хлор- и фосфорорганические соединения).

Создание водохранилищ и их каскадов в умеренных широтах приводит к нивелированию сезонных различий в величинах общей минерализации и концентраций главных ионов (Денисова, 1979). В водохранилищах, расположенных в аридных районах, общая минерализация несколько выше, чем в реках, и изменяется соотношение между главными ионами — натрием, калием, хлором и сульфатом. В устьевых областях зарегулированных рек минерализация, по имеющимся данным, увеличивается, иногда существенно: для Волги — на 16%, для Днепра — на 10, для Дона — на 49, для Кубани — на 31, для Куры — на 47%.

Кислородный режим как один из главных показателей «благополучия водоема» зависит от очень многих процессов, происходящих не только в самом водохранилище, но и на водосборе. Содержание кислорода колеблется в широких пределах от долей до двух и более десятков миллиграммов на литр (от 2 до 250% насыщения) и изменяется по сезонам, годам, акватории и глубине водохранилищ.

В малопроточных и глубоких водохранилищах обычно развита температурная и кислородная стратификация, в результате которой содержание растворенного
кислорода снижается до долей мг/л (3—5% насыщения). Развитие анаэробных процессов в гиполимнионе*

(* Эпилимнион — верхний (несколько метров) хорошо аэрируемый слой воды с благоприятным кислородным режимом. Гиполимнион — нижележащий слой воды с пониженным (менее 4 мг/л) содержанием кислорода.

Граница между эпилимнионом и гиполимнионом устанавливается по слою так называемого температурного скачка, в пределах которого температура воды изменяется по глубине на 3—5°.)

 сопровождается выделением больших количеств сероводорода и метана. Это неблагоприятное явление особенно выражено на многих крупных тропических водохранилищах, при создании которых не были проведены в должном объеме лесосводка и лесоочистка ложа.

На кислородный режим водохранилищ, расположенных в умеренной и субарктической зонах, существенное воздействие от 2 до 8 месяцев в году оказывает ледовый покров, с которым связаны дефициты кислорода во всей водной массе.

Вследствие обогащения воды органическими веществами увеличивается содержание углекислоты и уменьшается количество растворенного кислорода, особенно при зимней сработке. Содержание кислорода уменьшается также в ночное время летом в периоды бурного развития микроскопических водорослей — так называемого цветения воды. Волнение, течения и конвекционные токи, наоборот, обогащают воду водохранилищ кислородом.

Существенно ухудшается кислородный режим в районах скопления отмерших масс синезеленых водорослей, свободно плавающих растений (телореза, сальвинии в тропиках), высшей водной растительности.

Необходимо подчеркнуть, что кислородный режим не только отдельного водохранилища, но и его участков индивидуален. Наиболее благополучен режим кислорода в горных водохранилищах, где его содержание не падает ниже 70% растворимости, что связано со сравнительно слабым развитием фитопланктона, водной растительности и небольшой мощностью и объемом иловых отложений.

Уменьшение содержания взвесей и цветности воды приводит к увеличению
ее прозрачности в водохранилищах (особенно в их приплотинных участках) в 5—10 раз по сравнению с речными водами (рис. 34, 35). Отстой воды в водохранилищах даже в течение 2—3 недель вызывает резкое уменьшение содержания сапрофитных бактерий и кишечной палочки, что тоже может рассматриваться как весьма положительное явление.

Содержание минеральных и органических форм азота, фосфора, кремния и железа (которые составляют группу так называемых биогенных элементов или веществ) изменяется в очень широких пределах по сезонам, годам, акватории и глубине. В целом количество биогенных веществ и скорость их кругооборота (за исключением железа и кремния) в водохранилищах увеличиваются по сравнению с речными условиями; особенно возрастает (на 1—2 порядка) амплитуда колебаний содержания биогенных веществ.

Для биогенного режима водохранилищ имеют большое значение наличие и стабильность или отсутствие стратифи-цированности водной массы, так как при разных соотношениях эпилимниона и гиполимниона имеют место разные по сложности и длительности схемы круговорота веществ.

Раньше считалось, что водохранилища уменьшают биогенный сток рек, однако в действительности оказалось, что он увеличивается (кроме соединений железа); на это указывают исследования последних 10 лет, проведенные в СССР на водохранилищах Волги и Днепра.

Наиболее исследованы в водохранилищах такие микроэлементы и тяжелые металлы, как марганец, цинк, медь, ртуть, кадмий, свинец, мышьяк, хром, никель; содержание их нормируется для питьевого водоснабжения.

И в данном случае особенно важно подчеркнуть, что особенности гидрологических и гидрохимических режимов определяют общую тенденцию к уменьшению содержания соединений тяжелых металлов в пелагиали водохранилищ, их трансформации и аккумуляции в донных отложениях. То же можно сказать и о ряде других загрязняющих веществ, таких, как нефтепродукты.

Изложенное выше показывает, что
роль водохранилищ в формировании качества воды двояка. С одной стороны, очень велика роль процессов самоочищения, усиливающихся в водохранилище за счет процессов седиментации, отстоя, разбавления, деструкции (разрушения) органических веществ. С другой стороны, особенности водохранилищ, такие, как замедление водообмена и явление термической и кислородной стратификации, развитие органической жизни, способствуют усилению евтрофирования и ухудшению качества воды в том случае, когда существенно усиливается интенсивность антропогенных воздействий, особенно в отношении поступления сточных вод. Иными словами говоря, водохранилища более уязвимы для загрязнения, чем реки.

Для водохранилищ в низовьях рек из-за уменьшения объема стока (в результате его хозяйственного использования и дополнительных потерь на испарение) характерно увеличение солености вод, что существенно отражается на функционировании своеобразных экосистем устьевых областей.

 

содержание   ..  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  ..