Регулирование стока и водохранилища: Лекция

Лекция №5
Основные понятия о регулировании стока и водохранилищах
Решение целого ряда задач водного хозяйства по обеспечению
населения, промышленности и сельского хозяйства водой и поддержания
оптимальных условий для функционирования экосистемы водосборного
бассейна возможно путем создания на реках и озерах устройств и
сооружений, называемых водохозяйственной установкой.
При регулировании стока − перераспределении во времени
естественного стока реки в соответствии с запросами водопотребителей − в
состав установки обязательно входит водохранилище, создаваемое подпором
вод реки или естественного водоема (озера) от водоудерживающей плотины.
Наиболее важными являются следующие особенности водохранилищ.
1. Водохранилища – это объекты, создаваемые и управляемые человеком, но одновременно испытывающие также и сильнейшее воздействие
природных факторов. По этой причине водохранилища занимают
промежуточное положение между «природными» и «технич-скими»
образованиями, иными словами, они – природно-технические системы.
2. Влияние водохранилищ на окружающую среду очень значительное,
причем его последствия могут быть и неблагоприятными.
3. Водохранилищам свойственна особая система так называемых
внутриводоемных процессов – гидрофизических, гидрохимических и
гидробиологических.
4. Водохранилища – водные объекты, наиболее полно используемые
различными отраслями хозяйства и формирующие наиболее характерные
черты водохозяйственного комплекса тех или иных территорий.
5. Для водохранилищ характерна чрезвычайно высокая динамичность
развития, обусловленная изменчивостью гидрометеорологических процессов,
определяющих режим водоема, стремительным изменением воздействия
хозяйства на природную среду, изменениями (по разным причинам) режима
эксплуатации водохранилищ.
Совокупность воздействий указанных факторов приводит к тому, что
водохранилища крайне редко можно считать стационарными объектами,
эволюция которых прослеживается на основе предыдущей истории.
Главной целью создания водохранилищ является регулирование стока
в интересах водоснабжения, ирригации, гидроэнергетики, водного
транспорта и в целях борьбы с наводнениями. Для этого в водохранилищах
аккумулируется сток в одни периоды года, сезона, месяца, недели, суток и
отдается накопленная вода в другие периоды.
Процесс аккумуляции стока называется наполнением водохранилища,
а процесс отдачи накопленной воды – его сработкой.
К числу параметров, определяющих основные размеры водохранилищ,
следует отнести :
1) НПУ − нормальный подпорный уровень;
2) ФПУ − форсированный подпорный уровень;
3) УМО − уровень мертвого объема;
4) УНС − уровень навигационной сработки;
5) Vполезн− полезный объем водохранилища;
6) VУМО − мертвый объем;
7) Vполн=Vполезн+ Vумо− полный объем водохранилища,
соответствующий НПУ;
8) Vфорс– форсированный (резервный) объем;
9) Fнпу– площадь водной поверхности водохранилища при НПУ;
10) Fумо– площадь водной поверхности водохранилища при УМО.
Под НПУ понимается высший проектный уровень водохранилища,
который подпорные сооружения могут поддерживать в нормальных
эксплуатационных условиях в течение длительного времени.
УМО − низкий уровень, до которого срабатывается водохранилище в
процессе нормальной его эксплуатации.
Уровень, находящийся между УМО и НПУ, при котором речной флот
может нормально функционировать, называется уровнем навигационно
сработки(УНС).
Под полезным объемом водохранилища понимается объем,
непосредственно осуществляющий регулирование стока. Он заключен в слое
водохранилища высотой глубины сработки hсраб (между НПУ и УМО).
Мертвый объем водохранилища хотя и не принимает участия в
регулировании, но имеет большое практическое значение для
водохранилища (определяет параметры заиления, санитарные условия,
минимальный напор и так далее).
При пропуске катастрофических половодий и паводков допускается
кратковременное повышение уровня воды в водохранилище над НПУ до
отметки, называемой форсированным подпорным уровнем (ФПУ).
Объем водохранилища, заключенный между ФПУ и НПУ, называется
форсированными используется для дополнительной трансформации (срезки)
катастрофических максимальных расходов половодий и паводков.
Помимо перечисленных параметров следует также сказать еще об
одной важной характеристике водохранилища − кривой подпора – условной
линии, соответствующей повышению уровня воды от отметки НПУ у
плотины вверх по течению.
Естественная емкость, в которой аккумулируется вода, называется
чашей водохранилища. При этом различают береговую и глубинную ее
области.
В береговой области преобладают процессы разрушения горных пород
под влиянием волнового прибоя, а в глубинной − происходит отложение
продуктов разрушения.
Береговая область состоит из трех зон: берега, побережья и береговой
отмели.
Берег – часть суши, окаймляющая водохранилище в виде склонов
различной крутизны. Основание берега располагается на верхней границе
волнового прибоя; постепенно разрушаясь, берег отступает от уреза вглубь
суши.
Заканчивается берег бровкой, то есть линией сопряжения склонов с
прилегаю- щей местностью.
Побережье – зона прибоя. Часть этой зоны, примыкающая к берегу
только при сильном волнении, называется сухим побережьем.
Часть, затопляемая периодически при подъеме уровня воды,
называется затопляемой, а часть побережья, находящаяся под водой
постоянно, называется подводной.
Береговая отмель имеет вид подвод- ной террасы, опускающейся в
сторону водохранилища крутым склоном (отсыпь). Отмель возникает как в
результате размыва (абразии) коренных пород, так и за счет намыва
(аккумуляции) рыхлого материала, приносимого волнами.
Побережье и береговую отмель объединяют в одну зону, называемую
прибрежной (литоралью).
Глубинная область (профундаль) занимает наиболее глубокую часть
дна, не доступную волнению. Переходную часть между литоралью и
профундалью называют сублиторалью.
Границы между отдельными частями котловины водоема не всегда
отчетливо выражены. Происходящие химические и биологические процессы,
волнения, твердый сток, вносимый реками в водохранилище, постепенно
изменяют первоначальный рельеф дна и склонов котловины, а также
очертание ее в плане.
С течением времени первоначальный рельеф котловины сглаживается,
водохранилище мелеет, а затем зарастает. При расчетах регулирования стока обычно
приходится решать следующие основные задачи:
1) задан зарегулированный (гарантированный) расход Qгар; требуется определить
потребную для его поддержания полезную емкость водохранилища Vполез;
2) задана полезная емкость водохранилища; требуется определить обеспечиваемый
ею гарантированный расход воды;
3) требуется построить зависимость между величинами гарантированных расходов
воды и полезного объема водохранилища.
По степени перераспределения стока во времени различают следующие виды
регулирования: суточное, недельное, сезонное, годичное, многолетнее.
Естественные колебания речного стока выравниваются с помощью водохранилищ.
При этом чем больше емкость водохранилища по отношению к регулируемому стоку, тем
выше степень его выравнивания, тем ближе значение коэффициента регулирования стока
или водоотдачи к единице ( = Qзар/Qмг, где Qзар− зарегулированный водохранилищем
расход, Qмг– среднемноголетний расход в створе гидроузла).
Добиться полного выравнивания стока (довести значение до 1) возможно только
ценой больших затрат на сооружение крупнейших водохранилищ, которые с
экономической точки зрения, как правило, не оправдываются. Однако в ряде случаев при
создании водохранилищ на реках с высокой степенью естественного регулирования стока
(при относительно малых коэффициентах изменчивости годового стока Cv) иногда
целесообразно доведение водоотдачи до величины, близкой к 1. В современной практике
водохозяйственного проектирования и эксплуатации водохранилища его отдачу обычно
связывают с необходимой надежностью удовлетворения требования водопотребителей и
водопользователей.
Такой характеристикой является гарантированная отдача водохранилища, под
которой подразумевается минимальная среднесуточная, среднемесячная, среднесезонная
или среднегодовая отдача, обеспечиваемая с заданной надежностью. В проектной
практике в качестве гарантированной используется отдача либо средняя за всю межень,
либо средняя за осенне-зимний период, либо среднегодовая.
В зависимости от назначения гидроузла его гарантированная отдача может быть
выражена различно:
1) расходом Qгар воды, поступающей в нижний бьеф для нужд водного
транспорта, рыбного и лесного хозяйства;
2) расходом Qгар воды, забираемой из верхнего бьефа для ирригации,
водоснабжения и прочих нужд;
3) количеством гидравлической энергии Эгар или мощности Nгар, используемой в
расчетных маловодных условиях для участия в покрытии графика нагрузки
энергосистемы. В комплексных гидроузлах гарантированная отдача выражается
совокупностью указанных величин. Если в энергосистеме имеются каскады
водохранилищ или ГЭС, расположенные на разных притоках, то под гарантированной
отдачей подразумевается суммарный объем воды или общее количество гидравлической
энергии, получаемой от всех водохранилищ или ГЭС заданной обеспеченностью.
При этом роль каждого водохранилища или ГЭС в энергосистеме и взаимосвязь их
режимов оптимизируется с целью достижения максимальной величины совокупной
гарантированной отдачи всех ГЭС.
Нарушение гарантированной отдачи называют перебоями. Под расчетной
обеспеченностью гарантированной водо- или энергоотдачи понимается вероятность
удовлетворения потребителей водой или энергией по соответствующей норме,
измеряемой числом бесперебойных лет Рл, бесперебойных периодов (месяцев, декад,
дней) Рп, числом часов бесперебойной подачи потребителю воды или энергии Р0:
Рл= m/(n+1), (2)
Pп= m/n, (3)
P0 = (Nгар−d)/Nгар= (Wгар−d)/Wгар, (4)
где m – число бесперебойных лет или периодов;
n – общее число членов ряда;
Nгар– гарантированная мощность ГЭС;
Wгар– гарантированная водоотдача;
d – среднемноголетний дефицит водо- или энергоотдачи.
Обеспеченность на практике выражается в форме процента бес перебойных лет,
периодов и часов. Четкой зависимости между показателями обеспеченности нет, но
можно указать, что Рл<Рп<Р0. Для удовлетворения требований различных
водопользователей устанавливается так называемая приведенная обеспеченность
гарантированной отдачи Рпр, которая учитывает значения и обеспеченность нормальной и
урезанной водоотдачи. Приведенная обеспеченность может определяться по формуле С.Н.
Крицкого и Х.Ф. Менкеля
Рпр= Р1 + (Р2 − Р1)* 2/ 1, (5)
где Р1 и Р2 – обеспеченности, соответственно, нормальной и пониженной
водоотдачи.
Водохранилища и качество воды
Создание водохранилищ в целях регулирования речного стока сопровождается
изменением качества воды:
— несколько возрастает минерализация воды (в основном в районах с засушливым
климатом) по причине наличия дополнительного испарения с водной поверхности
водохранилища;
— уменьшается мутность и цветность воды, увеличивается ее прозрачность (благодаря
осаждению взвешенных наносов);
— в период, свободный ото льда, повышается температура воды на малых
водохранилищах и понижается на средних и больших водохранилищах;
— улучшается бактериальный состав из-за отмирания болезнетворных микробов, хотя
общая численность микроорганизмов возрастает вслед за увеличением концентрации
органических веществ;
— концентрация растворенного кислорода в период, свободный ото льда, как правило,
возрастает, а в зимний период падает;
— уменьшается концентрация солей тяжелых металлов и нефтепродуктов, которые
сорбируются на твердых взвешенных частицах, значительная доля которых осаждается
на дно;
— несколько уменьшается концентрация биогенных веществ, поскольку они активно
используются водными растениями, которые в дальнейшем при отмирании частично
аккумулируются в донных отложениях.
В целом, как видим, водохранилища способствуют улучшению качества речной воды.
Однако известно немало случаев ухудшения качества воды в первую очередь при
значительной биогенной нагрузке.
Методов расчетов и прогнозов качества воды в водохранилищах, в обычном
понимании, не существует, но основные факторы известны довольно хорошо. К ним
относятся: проточность, поступление взвешенных и растворенных загрязняющих
веществ, глубина, каскадное или некаскадноё расположение, особенности грунта,
санитарная подготовка ложа, масштабы переработки берегов. Заметим, что прогнозы
качества воды носят комплексный характер и базируются на прогнозах водности
впадающих рек, термического, ледового и гидрохимического режима самого
водохранилища.
С точки зрения оценки качества воды и вообще гидробиологического режима,
важнейшей гидрологической характеристикой, является интенсивность водообмена или,
иными словами, подвижность водных масс. Можно различать внешний и внутренний
водообмен. Внешний водообмен предопределяется структурой водного баланса, точнее,
сменяемостью воды за счет притока из бассейна и выпадающих на водное зеркало
атмосферных осадков; с ним непосредственным образом связана система стоковых
течений.
Внутренний водообмен создается разного вида течениями (кроме стоковых), а также
ветровым волнением. В настоящее время не имеется интегрального показателя степени
подвижности водных масс.
Приходится довольствоваться простейшей характеристикой, какой является
коэффициент условного водообмена.
Он представляет собой отношение среднего за многолетний период годового объема
поверхностного притока воды из бассейна (Vпр) к объему воды в водохранилище при
НПУ либо, что лучше, при среднем многолетнем уровне (W).
Если, например, коэффициент Kусл = Vпр/W = 0,2, то за год речной водой замещается
лишь 20 % водной массы водохранилища. Если же Kусл = 5, то за год водная масса
сменяется 5 раз. Обычно при суточном регулировании стока Kусл = 30... 100, недельном
регулировании —10..
.30, сезонном — 3... 10, полном годичном и многолетнем —
2... 3. Для водохранилищ в засушливых районах, где испарение с водной поверхности
играет заметную роль в водном балансе, имеет смысл заменить объем притока
полусуммой объема притока и стока
Кусл = (Vпр + Vст) / (2W).
Дополнительный учет атмосферных осадков нецелесообразен, поскольку в водном
балансе водохранилищ они играют незначительную роль. В литературе известны случаи
вычисления коэффициента Куслпо отдельным месяцам каждого конкретного года.
Очевидно, при этом нельзя не принимать во внимание аккумуляционную составляющую
водного баланса, т. е. изменение объема воды в водохранилище. При прочих равных
условиях на фазе сработки водохранилища подвижность водных масс будет больше, чем
на фазе наполнения. Иногда вместо коэффициента Кусл используется более простая
характеристика — так называемая «водная нагрузка», т. е. отношение Vпр/ΩВДх, где ΩВдх
— площадь водного зеркала водохранилища.
Рассмотрим более подробно перечисленные выше изменения качества воды в
водохранилище.
В малых водохранилищах обычно вода теплее, чем в реке, на 1,0—1,5 °С. В средних
водохранилищах большую часть времени температура воды почти такая же, как в реке,
но в начальный период нагревания она несколько холоднее (на 1—2°С), а в период
интенсивного остывания — заметно теплее (на 2— 3°С). В крупных водохранилищах в
течение всего периода нагревания температура заметно ниже (на 2—3°С), а в период
охлаждения — существенно выше(на 3—4°С); максимум температуры смещается вперед
на 0,5—1,0 мес. и более. Приведенные сведения относятся лишь к поверхностным слоям
воды.
Создание любого водохранилища сопровождается дополнительными потерями воды
на испарение. Уменьшение стока численно равно
∆Vст = (Ωвдх - ΩР) (Ев – Ес),
где ΩВДх и Ωр — площадь водного зеркала водохранилища и реки, Ев и Ес — слой
испарения с водной поверхности и суши.
В районах избыточного увлажнения разность Ев — Ес невелика, поэтому
несущественно меняются как сток, так и минерализация воды. Иное положение в
аридных районах. Здесь уменьшение водности и соответствующее повышение
минерализации воды уже довольно значительны. Расчет минерализации основывается на
использовании уравнения солевого баланса отдельного водохранилища вида (3.41). При
наличии системы или каскада водохранилищ в бассейне реки расчет выполняется
последовательно сверху вниз по течению.
Суммарный эффект за счет водохранилищ, сброса коллекторно-дренажных вод,
применения минеральных удобрений и других видов хозяйственной деятельности может
быть весьма значительным. Так, в устьевой области Днестра минерализация воды
возросла на 10 %, в устьевой области Кубани — на 31 %, Куры — на 47%. Согласно
данным работы, в засушливых районах соотношение средней многолетней
минерализации воды в реке и в приплотинной части водохранилища (СВДх и Ср) зависит
от коэффициента условного водообмена Кусл(приКусл>1,0)
СВДХ«СР(1+0,26/Кусл).
Повсеместно водохранилища сглаживают внутригодовые колебания минерализации
притекающей воды. Собственно, водохранилище распластывает гидрограф притока
солей, так же как и гидрограф притока воды. Это дает основание некоторым авторам
использовать для расчетов минерализации интеграл Дюамеля, или, другими словами,
метод кривых добегания.
Обобщений в части параметров кривых добегания Р(т) пока не имеется, и ее ординаты
приходится подбирать по данным натурных наблюдений. Процесс смешения речной
воды с водными массами водохранилища протекает под действием течения, волнения и
диффузии, поэтому минерализация воды по длине, ширине и глубине водохранилища
неодинакова. М. И. Кривенцов и М. Н. Тарасов выделяют шесть типов водохранилищ с
учетом коэффициента условного водообмена (Кусл) и характеристики удлиненности
(отношение длины к средней ширине (L/Вср)) (таблица 1).
Таблица 1
Тип
1
Кусл
>2
L/Bср
>20
Тип
4
Кусл
2—1
Bср
<20
2
>2
>20
5
<1
<20
3
2—1
>20
&
6
<1
<20
Тип 1. Стоковые течения четко выражены, поэтому нет различий в минерализации воды
по ширине и глубине водохранилища.
Тип 2. Стоковые течения сравнительно слабые, есть некоторое различие минерализации
по ширине и глубине.
Тип 3. Неоднородные водные массы по ширине; слабая стратификация по глубине.
Тип 4. Неоднородность водных масс по ширине и однородность по глубине.
Тип 5. Сильно развиты ветровые течения. Стратификация неустойчивая. Отмечается
однородность по ширине и некоторая неоднородность по глубине.
Тип 6. Из-за сильного перемешивания вода однородна по всему водохранилищу.
Выше речь шла о соотношении минерализации притекающей в водохранилище речной
воды и минерализации водных масс самого водохранилища. Разумеется, должны быть
также учтены возможные сбросы сточных вод непосредственно в водохранилище, сток с
прилегающих склонов и подземный .приток, которые могут иметь существенное значение
для малых водоемов в районах с засушливым климатом. Заметим, что донные грунты и
берега также являются поставщиками солей (особенно, если берега сложены гипсовыми
породами). Со временем значительная часть солей растворяется, и минерализация донных
грунтов стабилизируется.
Как отмечалось, в период, свободный ото льда, концентрация растворенного
кислорода в водной массе водохранилища, как правило, выше, чем в речной воде, а в
период ледостава, наоборот, ниже.
На большой глубине она может быть меньше в течение всего года. Дополнительным
источником кислорода служит аэрация водных масс при ветровом волнении,
фотосинтетическая деятельность растительности (фитопланктон, макрофиты, нитчатые
водоросли). Весной и в начале лета главная роль принадлежит фотосинтезу растений, а
осенью — аэрации. Зимой кислород расходуется ца окисление органических веществ,
дыхание животных и рыб, диффузию в более глубокие слои.
При наличии больших масс синезеленых водорослей случаи резкого падения
концентрации кислорода могут наблюдаться и в летне-осенний период (вследствие
расходования кислорода на гниение водорослей). В первые годы существования
водохранилища содержание растворенного кислорода в воде может быть таким же, как в
реке, и даже меньше. Последнее связано с разложением затопленной луговой и
древесной растительности, окислением богатого гумусом верхнего слоя почвы.
В целом концентрация органических веществ в водохранилище больше, чем в реке.
Само по себе это мало ухудшает качество воды, если не имеет место «цветение», т. е.
появление больших масс сине-зеленых водорослей. При интенсивном цветении
затрудняется очистка воды на водопроводных станциях, возникает необходимость
учащенной промывки трубопроводов. В период отмирания сине-зеленых водорослей в
воду выделяются токсичные вещества, распространяются неприятные запахи.
Из всех характеристик качества вод под влиянием водохранилищ наибольшее
изменение претерпевает мутность, т. е. содержание взвешенных минеральных частиц.
Вследствие очень малых скоростей течения приносимые речной водой взвешенные
наносы осаждаются в водохранилище; происходит его заиление. Одновременно
происходит занесение водохранилища влекомыми наносами и продуктами размыва
берегов, но на равнинных реках преобладает процесс заиления. Со временем
устанавливается равновесие между поступлением наносов и их выносом. Дно постепенно
выравнивается, покрывается песком и илом, особенно на больших по площади, но
неглубоких водохранилищах.
В зависимости от проточности, глубины, очертания в плане, объема твердого стока и
других причин наносоудерживающая способность водохранилищ изменяется в очень
широких пределах — от 2—3 % в год для небольших водохранилищ суточного
регулирования до 20—30 % для больших водохранилищ годичного и многолетнего
регулирования. Известны случаи почти полного заиления небольших прудов в течение
3—5 лет. Такая же участь постигла и некоторые довольно большие водохранилища.
Например, Штеровское водохранилище на р. Миус (Донбасс) за первые пять лет
эксплуатации заилилось на 85%. Водохранилище Рионской ГЭС (Грузия) за десять лет
заилилось на 83 %, хотя и промывалось по 2 раза в год. Интенсивность заиления
(наносоудерживающая способность) в виде отношения годовой массы отложившихся в
водохранилище наносов к годовой массе поступивших наносов (Пак/Плр) находится в
приближенной зависимости от коэффициента условного водообмена водохранилища Кусл
= Vпр/W (для небольших рек с площадью водосбора F<30—50 км2):
В специальной литературе излагаются методы расчетов заиления водохранилища.
Здесь приведем лишь приближенную формулу для оценки предельно возможного объема
заиления (по Г. И. Шамову) небольших водохранилищ речного типа
Wпред = Wо (1 – ωр/ωвдх)1,7
где Wо — первоначальный полный объем водохранилища; сор — площадь поперечного
сечения реки в бытовых условиях при расходе воды, равном 3/4 расчетного
максимального расхода;
В целом по длине водохранилища мутность воды уменьшается. Исключение
составляют прибрежные мелководные участки, где при сильном волнении наблюдается
повышенная мутность. То же самое относится к самой верхней части водохранилища,
если оно является нижним бьефом вышерасположенного напорного гидроузла. Здесь в
продолжении длительного времени наблюдаются размывы русла и русловое
переформирование. Существенно, что по длине водохранилища меняется
гранулометрический состав взвешенных наносов. Крупные частицы, осаждаются, мелкие
частицы остаются.
При эксплуатации небольших речных водохранилищ нередко прибегают к их
промывке от отложившихся наносов. Большей частью эта мера губительна для всего
живого в верхнем и нижнем бьефах. Смысл в том, что водохранилище интенсивно
срабатывается в несколько тактов с небольшими перерывами между смежными тактами.
При этом интенсивность понижения уровня воды должна ограничиваться во избежание
обрушения берегов и повреждения откосов плотин и дамб. В частности, для неукрепленных земляных плотин и дамб:
Наибольший эффект промывки достигается,когда водасбрасывается через донные
отверстия в плотине, а также, если динамическая ось потока на подходе к плотине
остается одной и той же при различных расходах воды. Самый благоприятный момент,
когда уровень в водохранилище низкий, а приточный расход большой. В застойных зонах
не всегда удается создать нужную скорость течения, поэтому могут применяться
землечерпание, струйные взмучивающие устройства. Темпы заиления водохранилища
можно существенно снизить, если после прохождения пика мутности заполнять его
рабочую емкость на впадающих реках. При этом качество задержанной воды улучшается.
Мониторинг качества поверхностных вод водохранилищ по гидрохимическим и
гидробиологическим показателям.
Под мониторингом понимают многоцелевую информационную систему, основные
задачи которой – наблюдение, оценка и прогноз состояния водной среды под влиянием
антропогенного воздействия с целью предупреждения о создающихся критических
ситуациях, вредных или опасных для здоровья людей, благополучия других живых
существ или сообщест.
В мировой практике существует множество методик для оценки состояния водных
экосистем, с применением гидрохимических и гидробиологических показателей. Анализ
существующих методов оценки качества поверхностных вод показывает, что они должны
основываться на синтезе гидрохимических и гидробиологических подходов, так как
только в этом случае получается действительно интегральная оценка, удовлетворяющая
требованиям различных водопотребителей, а также проводится целостная оценка
состояния отдельных водных экосистем.
Методы и способы оценки качества поверхностных вод и степени их загрязненности
по гидрохимическим показателям многочисленны и разнообразны. Это определяется
задачами оценки, количеством и качеством исходной информации, способами обобщения
аналитического материала и рядом других факторов.
Аналитическому обзору методик оценки качества воды по гидрохимическим
показателям посвящено много работ, в которых отражены различные подходы и методы.
В практике гидрохимических работ качество воды оценивается с использованием
двух основных видов показателей – натуральных и относительно расчетных,
дополняющих друг друга.
Под натуральными показателями понимаются ингредиенты и показатели
химического состава воды, определяемые аналитически. Под относительными,
понимаются показатели качества воды, получаемые путем преобразования натуральных
аналитических данных тем или иным расчетным способом в формализованные.
Натуральные показатели могут быть трех видов: дифференцированными,
групповыми и интегральными.
К первым относятся ингредиенты качества воды, характеризующие одно из ее
свойств (например, концентрацию сульфатных ионов).
Ко вторым относятся показатели, объединяющие большую группу веществ
(например, фенолы).
К третьему виду относятся показатели качества, характеризующие группу
однородных ее свойств, обусловленных физико-химическими и в ряде случаев
биологическими процессами (например, рН).
Вся группа натуральных показателей используется для дифференцированной
оценки качества воды при сравнении их с нормативами.
Относительные
показатели,
полученные
в
процессе
математического
преобразования тем или иным способом аналитических данных, существенно обогащают
последние дополнительным содержанием и выполняют исключительно оценочную
функцию.
С учетом характера гидрохимической информации выделяют три вида
относительных показателей: покомпонентные, групповые и комплексные.
Покомпонентные относительные показатели оценивают качество воды по
отдельным компонентам путем сопоставления данных по химическому составу с
существующими нормативами (ПДК). При использовании этого метода оценки возможно
отнесение одного и того же состояния водного объекта к разным классам качества. Этот
вид показателей имеет низкий уровень обобщения и является традиционным .
Групповые относительные показатели оценивают качество воды по отдельным
группам однородных химических веществ: например, биогенные (минеральные нормы
азота и форсфора, кремния, железа); растворенные газы (кислород, азот, диоксид
углерода, сероводород); главные ионы. Такие показатели дают узконаправленную
частную оценку качества воды.
Комплексные относительные показатели оценивают качество вод по большому
числу параметров химического состава, в том числе и разнородным по своим свойствам.
Комплексное оценивание качества вод – это последовательные действия,
направленные на получение представления о степени загрязненности и/или ее качестве на
основе выбранной совокупности показателей состава и свойств воды в интересах
определенных видов водопользования и водопотребления. Появление и быстрое
внедрение в практику комплексных оценок было предопределено необходимостью четко
представлять характер и степень загрязненности вод на фоне возрастающего количества
присутствующих в повышенных концентрациях веществ антропогенного происхождения
и ранжировать воды по этому признаку. Комплексные показатели высоко информативны
Рассмотрим более подробно характристику комплексных индексов.
Гидрохимический индекс загрязнения воды (ИЗВ) установлен Госкомгидрометом
СССР и относится к категории показателей, наиболее часто используемых для оценки
качества водных объектов. Этот индекс является типичным аддитивным коэффициентом
и представляет собой среднюю долю превышения ПДК по строго лимитированному
числу индивидуальных ингредиентов:
1
ИЗВ  *
n
n
 ПДК ,
i 1
Ci
i
где: Ci– концентрация компонента (в ряде случаев – значение физико-химического
параметра);
n – число показателей, используемых для расчета индекса, n всегда = 6;
ПДКi – установленная величина норматива для соответствующего типа водного
объекта.
При расчете индекса загрязнения вод для всего количества нормируемых
компонентов, включая водородный показатель рН, биологическое потребление кислорода
БПК5 и содержание растворенного кислорода, находят отношения Ci/ПДКi фактических
концентраций к ПДК и полученный список сортируют. ИЗВ рассчитывают строго по
шести показателям, имеющим наибольшие значения приведенных концентраций,
независимо от того, превышают они ПДК или нет.
При расчете ИЗВ для составляющих Ci/ПДКi по неоднозначно нормируемым
компонентам, применяется ряд следующих условий:
− для биологического потребления кислорода (ПДК – не более 3 мг O2/дм3 для
водоемов хозяйственно-питьевого водопользования и не более 6 мг O2/дм3 для водоемов
хозяйственно-бытового и культурного водопользования. Устанавливаются специальные
значения нормативов, зависящие от самого значения БПК5 (от 1 до 3);
− концентрация растворенного кислорода нормируется с точностью до наоборот:
его содержание в пробе не должно быть ниже 4 мг/дм3 , поэтому для каждого диапазона
концентраций компонента устанавливаются специальные значения
слагаемых Ci/
ПДКi(от 6 до 60);
− для водородного показателя pHдействующие нормативы для воды водоемов
различного назначения регламентируют диапазон допустимых значений в интервале от
6,5 до 8,5, поэтому для каждого сверхнормативного значения pH, выходящего за границы
этого диапазона, устанавливаются специальные значения слагаемых Ci/ ПДКi (от 2 до 20);
В зависимости от величины ИЗВ участки водных объектов подразделяют на классы
от 1 – «очень чистые» воды до 7 – «чрезвычайно грязные»
Показатель химического загрязнения воды (ПХЗ-10). Суммарный показатель
химического загрязнения вод, названный авторами [69] "формализованным",
рассчитывается по десяти соединениям, максимально превышающим ПДК, с
использованием формулы суммирования воздействий:
ПХЗ-10 = ( С1 /ПДК1 + С2 / ПДК2 + ... + С10 / ПДК10),
где: ПДКi – рыбохозяйственные нормативы;
Сi –концентрация химических веществ в воде.
При определении ПХЗ-10 для химических веществ, по которым "относительно
удовлетворительный" уровень загрязнения вод определяется как их "отсутствие",
отношение С/ПДК условно принимается равным 1. Для установления ПХЗ-10
рекомендуется проводить анализ воды по максимально возможному числу показателей.
Комбинаторный индекс загрязненности (КИЗ). В гидрохимической практике
используется и несколько измененный, по сравнению с ИЗВ, метод интегральной оценки
качества воды, по совокупности находящихся в ней загрязняющих веществ и частоты их
обнаружения . В этом методе для каждого ингредиента на основе фактических
концентраций рассчитывают баллы кратности превышения ПДКвр – Кi, повторяемости
случаев превышения Нi, а также общий оценочный балл – Bi:
Ki=Ci/ ПДКi;
Hi=NПДКi/ Ni ;
Bi=Ki·Hi,
где: Сi – концентрация в воде i-го ингредиента;
ПДКi – предельно допустимая концентрация i-го ингредиента для водоемов
рыбохозяйственного назначения; NПДКi – число случаев превышения ПДК по i-му
ингредиенту; Ni – общее число измерений i-го ингредиента.
Ингредиенты, для которых величина общего оценочного балла больше или равна
единице, выделяются как лимитирующие показатели загрязненности (ЛПЗ).
Комбинаторный индекс загрязненности рассчитывается как сумма общих оценочных
баллов всех учитываемых ингредиентов. По величине комбинаторного индекса
загрязненности устанавливается класс загрязненности воды.
Комплексная оценка загрязнения воды определяется как относительное число
показателей, превышающих тот или иной уровень концентрации:
ПДК, 10 ПДК, 30 ПДК, и т. д. Предложенный способ обобщения сразу избавляет от
всех проблем, связанных с определением балльных оценок. Правда, при этом не
учитывается различие биологического воздействия веществ.
Комплексная оценка загрязненности вод по Г.Т. Фрумину и Л.В. Баркану. В работе
Г.Т. Фрумина и Л.В. Баркана для каждого ингредиента рассчитывается частная функция
желательности Харрингтона по формуле:
di=e-e
Показателем степени этой функции
рассчитываемая с помощью выражения:
Pi=b0 + b1*Ci/ ПДКi
является
безразмерная
величина
Pi,
где: CiиПДКi – наблюдаемая и предельно допустимая концентрации i-го
ингредиента,
b0 и b1 – специально рассчитанные коэффициенты, зависящие от типа ингредиента
и класса качества воды.
Обобщенная функция Харрингтона D определяется как среднегеометрическое
частных показателей желательности:
D = (d1d2d3 … dn)1/n
К описанию метода прилагается табличка, разъясняющая, как следует понимать
рассчитанное значение обобщенного показателя D (от очень чистой воды до очень
грязной).
Комплексные индексы загрязненности вод (КИЗВ).
Казахстанские ученые предлагают комплексный индекс загрязненности вод (КИЗВ)
. Предлагаемый метод комплексной оценки качества поверхностных вод сводится к
определению индекса загрязненности вод (ИЗВ), более известного из гидрохимической
практики как определение кратности превышения фактической концентрации
загрязняющего ингредиента над собственной предельно-допустимой концентрацией и
строится по аналогии с ИЗВ согласно «Методическим рекомендациям по
формализованной комплексной оценке качества поверхностных и морских вод по
гидрохимическим
показателям
Госкомгидромет
СССР,
Москва,
1988)
с
соответствующими дополнениями и уточнениями.
Например, определение КИЗВ для каждой группы производится
n
КИЗВ j  ( Ci / ПДК i ) / n ,
i 1
где: КИЗВj– комплексный индекс загрязненности вод j-ой группы;
Сi – i-ая концентрация ингредиента из j-ой группы, мг/л;
ПДКi - i-ая предельно-допустимая концентрация, соответствующая Сi, мг/л;
n – количество ингредиентов из j-ой группы, участвующих в определении КИЗВ.
Для получения объективной оценки загрязненности водного объекта определяемые
КИЗВ вычисляются для каждого месяца, периода половодья и паводков, летнее-осеннезимней межени и в годовом разрезе. При постоянстве количества групп условного
объединения ингредиентов, участвующих в определении, средневзвешенный групповой
КИЗВ может меняться в зависимости от наличия данных гидрохимического анализа за
рассматриваемый период.
При этом, помимо природно-климатических параметров, особое внимание
обращается на гидрологическую характеристику территории и физико-географические
процессы, изменяющие гидрологический режим (заболачивание, иссушение, сезонная
изменчивость стока и пр.), особенности гидрографической сети; интенсивность
эрозионных процессов на водосборе; качественную и количественную характеристику
поверхностного стока.
Гидрохимическая характеристика поверхностных вод должна содержать следующие
сведения: физические свойства и химический состав поверхностных вод (температура,
прозрачность, главные ионы, минерализация, биогенные вещества, органические
вещества, растворенный кислород, загрязняющие вещества, характерные для данной
территории и отраслей народного хозяйства).
Перечень приводимых показателей определяется:
− целевым использованием водного объекта;
− составом и количеством, поступающих в него загрязняющих веществ с учетом их
опасности.
Оценка современного качества поверхностных вод исследуемого региона на
основании анализа всех вышеперечисленных данных должна выявлять многолетнюю
тенденцию изменения качества воды в выбранных створах и в целом по бассейну и связь
данной тенденции с изменением водности и поступления загрязняющих веществ.
Для определения изменения качества воды в районе населенных пунктов под
влиянием сброса загрязняющих веществ необходимо установить средние и предельные
значения концентраций загрязняющих веществ выше и ниже выпусков сточных вод.
Для характеристики степени загрязнения поверхностных вод следует
руководствоваться санитарно-гигиеническими предельно-допустимыми концентрациями
(ПДК) загрязняющих веществ, а для водоемов, имеющих рыбохозяйственное значение рыбохозяйственными ПДК. При этом содержание вредных веществ в воде
регламентируется, исходя из требований питьевого водоснабжения, санитарного
состояния, отдыха, водного спорта, рыбного хозяйства.
Информация о качестве вод должна представляться в виде таких статистических
параметров, как осредненные превышение нормативов экстремальных значений
концентраций, как в отдельных створах во времени, так и по бассейну в целом.
На основании оценки загрязнения поверхностных вод можно разрабатывать
рекомендации по осуществлению необходимых водоохранных мероприятий, которые
должны обеспечить наиболее эффективные и оптимальные для народного хозяйства
результаты водоохранной деятельности.
Наряду с гидрохимическими методами оценки качества поверхностных вод
существуют биологические методы.
Регулирование речного стока водохранилищами.
В
естественных
условиях
реки
характеризуются
крайне
неравномерным распределением стока в многолетнем, годовом и сезонном
разрезах.
Регулирование речного стока является необходимым условием
рационального использования рек и осуществляется водохранилищами путем
перераспределения во времени объема естественного стока в соответствии с
требованиями водопользователей.
В естественных условиях речной сток формируется под влиянием
следующих связанных между собой факторов:

климатических условий, включая осадки, температуру, влажность
воздуха и др.;

ландшафта водосборной площади (рельефа, почв, инженерногеологических условий, растительности);

морфометрических и гидравлических характеристик (размеры и
конфигурация водосборной площади и речной сети, уклоны и строение русла
и др.).
Из них главным фактором являются климатические условия.
В современных условиях существенное влияние на формирование
речного стока также может оказывать хозяйственная деятельность человека.
Стоком реки называют количество воды, протекающее по реке за
определенный отрезок времени: год, сезон, месяц, неделю, сутки и др.
Расход реки в м 3 /с характеризует интенсивность стока в тот или иной
момент времени.
Естественный режим речного стока в подавляющем большинстве
случаев отличается крайней неравномерностью. Так, на равнинных реках
снегового питания в периоды весеннего половодья (1,5—3 мес.) проходит
обычно до 60—70% годового стока. Существенно различается годовой сток и
в многолетнем разрезе.
Неравномерно распределен сток и по территории страны. Это
положение усугубляется тем, что спрос на воду непрерывно возрастает и уже
сейчас в некоторых крупных регионах страны ощущается недостаток
пресной воды. Все это приводит к необходимости перераспределения
естественного стока во времени.
Это
осуществляется
с
помощью
регулирования
стока
водохранилищами, в которых задерживается избыточный естественный
приток, в то время когда он превышает спрос потребителей, и расходуется,
когда этот спрос больше притока.
Таким образом, регулирование стока
— это процесс
перераспределения его водохранилищами во времени и в пространстве.
Степень зарегулированности стока определяется относительной
емкостью водохранилища (коэффициентом емкости β), который
определяется отношением полезного объема водохранилища к среднему за
многолетний период объему годового стока в створе плотины:
(6)
Различают регулирование водно-энергетическое и водохозяйственное.
Водно-энергетическое регулирование осуществляет перераспределение стока
для энергетических целей.
При водохозяйственном регулировании напор не является
регулируемым параметром и регулируется лишь расход.
При любом регулировании потребители воды в некоторые периоды
времени работают с расходом воды, превышающим приток, а в другие
периоды времени расходуют воды меньше притока.
В первом случае происходит сработка водохранилища, во втором —
наполнение.
Промежуток времени от начала какого-либо одного периода сработки
водохранилища от НПУ до начала следующего после очередного его полного
заполнения называется циклом регулирования.
Длительность цикла регулирования определяет его разновидность, в
соответствии с чем различают краткосрочное и длительное регулирование. К
первому виду относят суточное и недельное регулирование, а ко второму —
сезонное, годичное и многолетнее.
Виды регулирования
Суточное регулирование. Естественные (бытовые) расходы многих
рек в течение суток остаются практически неизменными, исключение
составляют лишь периоды половодий. Режим работы ГЭС имеет обратную
картину: в период половодья он, как правило, неизменен, а в течение любых
других суток — резко переменный.
Вследствие этого расходы, пропускаемые турбинами ГЭС QГЭС при
переменном режиме, будут также переменными, изменяясь нередко от нуля
до полной пропускной способности. В результате в течение некоторой части
суток имеется избыточный приток, в течение другой — недостаточный.
Отсюда суточное регулирование будет заключаться в том, чтобы в часы
малой нагрузки ГЭС запасти в водохранилище избыточный приток, а в часы
повышенной нагрузки его сработать.
Если объем водохранилища достаточен для задержания всего
избыточного притока в часы малой нагрузки, то этот приток при отсутствии
ограничений на режим ГЭС может быть использован для увеличения ее
мощности (против той, которую она могла бы развить, используя
етественный расход) в часы пика нагрузки потребителей.
Потери суточного регулирования зависят от используемого напора.
Чем меньше напор, тем сильнее сказываются эти потери, и для
низконапорных ГЭС они доходят до 3—5% суточной выработки ГЭС при ее
работе на естественном расходе.
Объем водохранилища, необходимый для суточного регулирования,
очень небольшой и обычно составляет около 0,5 объема суточного стока
маловодного года расчетной обеспеченности.
Объем водохранилища, необходимый для осуществления суточного
регулирования, в каждом конкретном случае можно определить на основе
сопоставления между собой графика бытовой приточности QБЫТ(t) и
зарегулированных расходов QГЭС(t).
Недельное регулирование. В нерабочие дни недели нагрузка
потребителей электроэнергии резко падает (особенно в воскресенье). В это
время гидроэлектростанция может также снизить свою мощность до
значения, меньшего того, которое она могла бы развить, работая на
естественном расходе. Получающийся избыток воды может быть
использован на заполнение водохранилища, сработанного за время рабочих
дней недели. Сказанное иллюстрирует рис.2, где для простоты
предполагается, что бытовой расход, как это обычно бывает в межень, в
течение недели практически не изменяется (QБЫТ=const); нагрузка
потребителей системы в рабочие дни практически одинакова и в неделе
имеются два выходных дня (рис.2,а). Понятно, что качественно картина не
изменится, если нагрузка системы в рабочие дни и приточность не будут
неизменными.
Годичноеили
сезонное
регулирование
осуществляет
перераспределение стока внутри года, накапливая сток в водохранилище в
многоводный сезон в период паводков и срабатывая в маловодный сезон в
период межени. Это наиболее распространенный тип регулирования стока.
При годичном регулировании обычно β >0,1.
Годичное регулирование. Естественный гидрологический годовой
режим реки обычно отличается крайней неравномерностью и находится в
противоречии с запросами энергетики.
Весь цикл регулирования при этом занимает 1 год. Если после сработки
и очередного наполнения водохранилища всегда имеются холостые сбросы,
то регулирование называется сезонным (неполным годичным) в отличие от
годичного (полного), когда в условиях расчетной обеспеченности сбросов
нет. Как и при сезонном регулировании, так и при годичном в каждом
следующем году циклы сработки и наполнения повторяются.
Объем водохранилища годичного регулирования обычно составляет от
10 до 30% среднемноголетнего объема годового стока реки, т. е.
βГОД=0,10-0,30. При этом большее значение βГОД соответствует
большему коэффициенту изменчивости стока Cv..
Водохранилище годичного регулирования может, как это обычно и
бывает, одновременно выполнять и краткосрочное регулирование (суточное
и недельное).
На Рис.3,а представлена общая схема годичного регулирования, а на
рис.3,б — сезонного (имеется период сброса излишков воды во время
половодья). На этих рисунках также представлены соответствующие режимы
верхнего бьефа. Ясно, что в особо маловодные годы или при слишком
больших (сверхрасчетных) изъятиях стока половодья водохранилище может
и не наполниться до отметки НПУ. Нетрудно представить себе, как будет
изменяться zBБ, QГЭС, zНБ и НГЭС, если регулирование будет произведено не на
постоянный расход QГЭС, а в соответствии с заданным графиком нагрузки
ГЭС.
Многолетнее регулирование позволяет перераспределять сток за ряд
лет, накапливая сток в водохранилище в многоводные годы и срабатывая в
маловодные. При многолетнем регулировании существенно возрастают
гарантированная мощность ГЭС и выработка ею электроэнергии. При
многолетнем регулировании в зависимости от изменчивости стока
приближенно β =0,3–0,6 и выше.
Многолетнее и сезонное регулирование речного стока осуществляют
многие крупные водохранилища комплексного назначения. В США из 75
водохранилищ объемом свыше 1 км 3 55 водохранилищ осуществляют
многолетнее регулирование стока, в странах СНГ из 66 водохранилищ
объемом более 1 км 3 24 водохранилища многолетнего регулирования.
многолетнее регулирование сводится к увеличению стока маловодных
лет. Особенностью этого вида регулирования является непостоянство
продолжительности цикла регулирования. При неизменном расходе
водохранилища период наполнения и период опорожнения водохранилища
определяются исключительно гидрологической обстановкой каждого года.
Чем больше при этом относительный объем водохранилища, тем, очевидно,
реже оно заполняется до отметки НПУ.
Считается, что для того, чтобы водохранилище могло осуществлять
многолетнее регулирование, его объем должен составлять не менее 30—50%
среднего за многолетний период объема годового стока реки, т. е. βМН = 0,30,5. Указанные довольно широкие пределы колебаний значений βМН
объясняются, так же как и в предыдущем случае, характером изменчивости
стока (чем больше значение Cv, тем больше βМН).
На рис. 4 представлены общая схема многолетнего регулирования и
график изменения уровня верхнего бьефа. Как видно, период наполнения в
зависимости от водности лет может быть различным. В начале
регулирования водохранилище было заполнено в первый же год, а после
сработки на это потребовалось уже два года (менее многоводных, чем
первый год).
Эффективность длительного регулирования оценивается с помощью
коэффициента регулирования α, представляющего собой отношение
зарегулированного расхода или расхода ГЭС к среднемноголетнему расходу
реки (норме): α = QРЕГ/ Q0
Таким образом, при длительном регулировании уменьшается
многолетняя и годичная неравномерность расхода, в то время как при
краткосрочном регулировании неравномерности расхода за регулируемый
период (сутки, неделя) резко возрастает.
Компенсирующее регулирование. В некоторых схемах использования
энергии по ряду причин приходится располагать ГЭС ниже по течению на
значительном расстоянии от регулирующего стока водохранилища. При этом
между ГЭС и водохранилищем может иметься большой приток,
неблагоприятно влияющий своей неравномерностью на зарегулированный
сток
(рис.5).
Неравномерность
притока
можно
компенсировать
соответствующими попусками из водохранилища 1, имеющего для этого
необходимый объем. При такой схеме в период меженных расходов попуски
из водохранилища увеличивают, а в период половодья уменьшают или
прекращают.
Рис. 5
В описанной схеме (рис.5) водохранилище 2 может служить некоторым
буфером для сглаживания всяких неточностей в определении времени
добегания расхода из верхового водохранилища 1 до ГЭС. Тогда
водохранилище 1 осуществляет сравнительно грубое регулирование, а
буферное водохранилище 2 более точное, определяемое режимом нагрузки
потребителей. Такое регулирование носит название буферного.
Каскадное и комплексное использование водных ресурсов.
Развитие гидроэнергетики осуществляется главным образом за счет
каскадного освоения водных ресурсов. В этих условиях гидроэнергетические
ресурсы отдельных рек используются не одной гидроэлектростанцией, а несколькими, последовательно расположенными друг за другом. При этом в
каскаде могут быть как плотинные, так и деривационные гидроэлектростанции.
Как показывает практика, каскадные схемы позволяют полнее и
экономичнее использовать энергетический потенциал реки, поскольку они, в
частности,
уменьшают
энергетические
потери
водотока.
Энергоэкономическая эффективность каскада при проектировании
определяется количеством ступеней и месторасположением каждого
гидроузла, определяющего размеры водохранилища, напора, мощности и
капитальных вложений. Особое значение при этом приобретают
экологические аспекты.
Кроме повышения энергетической эффективности каскадные схемы
позволяют существенно повысить эффективность использования стока и
другими отраслями народного хозяйства.
Использование водных ресурсов одновременно несколькими отраслями
народного хозяйства называется комплексным.
Комплексное использование обеспечивает от данного гидроузла
больший экономический эффект, чем использование их какой-либо одной
отраслью народного хозяйства
Участники (компоненты) комплексного использования образуют
водохозяйственный комплекс. Те из компонентов водохозяйственного
комплекса, которые используют воду как вещество и изымают ее из данного
водоисточника, называются водопотребителями. Эта вода по истечении
некоторого времени, иногда достаочно длительного, может вновь поступить
в водооборот, но уже в другом створе или даже в другом бассейне. При этом
многие водопотребители возвращают воду существенно худшего качества.
Те же участники комплекса, которые полностью или почти полностью возвращают после использования воду того же качества (например, ГЭС) или
совсем ее не изымают из водотока (например, водный транспорт),
называются водопользователями.
Трансформация половодья.
Водохранилище достаточно большого объема может быть
использовано для борьбы с наводнениями и другими нежелательными
последствиями, возникающими при прохождении весьма больших расходов
воды во время половодий. В этом случае перед наступлением половодья
водохранилище должно иметь некоторый свободный объем, что позволит
иногда значительно «срезать» пик половодья и тем самым уменьшить
наводнения в нижнем бьефе и расчетный расход, а также стоимость
водосбросных сооружений данного и, как правило, нижерасположенных
гидроузлов.
Необходимый для срезки половодья объем обычно создается путем
дополнительного
увеличения
высоты
плотины.
Получающийся
форсированный объем обычно не используется для регулирования стока и не
обеспечивает дополнительную гарантированную выработку электроэнергии.
После прохождения половодья заполненный объем должен быть освобожден
от воды и подготовлен к приему следующего половодья.
Для срезки половодья иногда используют и специальные
водохранилища.
Таблица 1 Классификация водохранилищ по высотному положению
Высотное положение по климатическим поясам (метры над уровнем
моря)
Типы
Суб
Умеренный
Субтр
Субэкваториа
водохранилищ арктии
Сев
Юопи-ческий льный
ческий
экваториальный
ерная
жная и
часть
часть тропический
Равнинн
0–
0–
0
0–
0–1200
ые
200
500
–700 1000
Предгор
200
500
7
1000–
1200–2000
ные
–500
–1000
00–
1500
1200
Горные
Вы
100
1
1500–
2000–3000
ше 500
0–1500 200– 2500
2000
Высоког
–
Вы
В
Выше
Выше 3000
орные
ше 1500 ыше
2500
2000
Таблица 2Классификация водохранилищ по полному объему и площади
зеркала
Категория
Показатели
водохранилищ
Полный
Площадь
объем, км3
зеркала, км2
Крупнейшие
Более 50
Более 5000
Очень крупные
10–50
500–5000
Крупные
1–10
100–500
Средние
0,1–1
20–100
Небольшие
0,01–0,1
2–20
Малые
Менее 0,01
Менее 2
Таблица 3Классификация водохранилищ по глубине
Категория
Показатели, м
Примеры водохранилищ
водохранилищ
Наибо
Ср
льшая
едняя
глубина
глубина
Исключит
Более
Бол
Ингурское
(Грузия),
ельно глубокие 200
ее 50
Вайонт (Италия), Мовуазен
(Швейцария),
Чиркейское
(Россия), Гувер (США)
Очень
101–
31–
Кельнбрейн
(Австрия),
глубокие
200
50
Итайпу (Бразилия- Парагвай),
Красноярское
(Россия),
Ататюрк (Турция), Хаобинь
(Вьетнам)
Глубокие
51–
21–
Днестровское (Украина),
100
30
Вилюйское
(Россия),
Эгль
(Франция)
Средней
21–50
11–
Шульбинское (Казахстан),
глубины
20
Балбина (Бразилия)
Незначит
10–20
5–
Киевское
(Украина),
ельной глубины
10
Ниагора 2 (Канада)
Мелкие
Менее
Ме
10
нее 5
Таблица 4 Классификация водохранилищ по глубине сработки
Глубина
Амп
Примеры водохранилищ
сработки
литуда
колебания
уровня, м
Малая
Мен
Саратовское (Россия), Днепровское
ее 1
(Украина)
Небольш
1–3
Волгоградское, Горьковское (Россия),
ая
Киевское (Украина)
Средняя
3–10
Куйбышевское,
Цимлянское,
Братское,
Вилюйское
(Россия),
Кременчугское, Каховское (Украина)
Большая
11–
Чиркейское,
Хантайское,
30
Красноярское
(Россия),
Кленталерзее
(Швейцария), Днестровское (Украина)
Очень
большая
Нурекское
(Таджикистан),
100
Токтогульское (Киргизстан), Чарвакское
(Узбекистан),
Кельнбрейн
(Австрия),
Саяно-Шушенское (Россия)
Исключи
Боле
Гранд-Диксанс,
Мовуазен
тельно большая е 100
(Швейцария), Тинь (Франция)
Таблица 5 Классификация водохранилищ по интенсивности
водообмена
Степен
Показ
Примеры водохранилищ
ь водообмена атель
водообмена
полного
объема,
число
раз в году
Очень
более
Днепродзержинское,
Каневское,
большая
10,0
Киевское
(Украина),
Саратовское
(Россия), Франклин Рузвельт, Мак-Нери
(США)
Больша
4,01–
Горьковское,
Куйбышевское,
я
10,0
Волгоградское, Камское (Россия), БичБенд (США)
Значит
2,01–
Кременчугское,
Каховское
ельная
4,0
(Украина), Чиркейское (Россия), Форт
Рандол (США)
Средня
1,0–
Усть-Илимское, Саяно-Шушенское,
я
2,0
Рыбинское, Красноярское (Россия)
Неболь
0,51–
Братское, Цимлянское (Россия),
шая
0,99
Токтогульское
(Киргизстан),
Мингечаурское (Азербайджан), Оахе,
Поуэл (США)
Малая
0,33–
Бухтарминское (Казахстан), Форт
0,5
Пек (США)
Очень
менее
малая
0,33
31–
Водохранилища и окружающая природная среда
Некоторые особенности водохранилищ как природно-техногенного
объектов
Создание водохранилищ и регулирование ими стока значительно
преобразует 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, то есть в зонах
потребления стока. Можно выделить следующие районы воздействия
водохранилищ на окружающую среду:
1) само водохранилище и прилегающие территории;
2) 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;
3) район изъятия стока из реки с подразделением на: а) подрайон
изъятия стока на ограниченном участке реки, при котором использованная
вода на некотором расстоянии ниже плотины возвращается в ту же реку; б)
подрайон уменьшения стока в результате безвозвратной переброски воды из
водохранилища в другой речной бассейн;
4) район дополнительного стока (орошаемые массивы, обводняемые
реки и так далее).
На степень и направленность изменений окружающей среды в верхних
бьефах гидроузлов, то есть 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, по мнению многих
исследователей, чрезвычайно разнообразно, может проявляться прямо и
косвенно, может быть положительным и отрицательным, постоянным и
временным, нарастающим, постоянным по годам или затухающим. В
результате затопления территорий происходит изменение гидрографии
регионов, причем иногда очень существенное. Значительно увеличивается
удельный вес площади поверхностных водных объектов. При многолетнем
регулировании стока уровни воды в водохранилищах в разные годы
находятся на неодинаковых максимальных отметках, что приводит к
своеобразному нестабильному ходу процессов в береговой зоне, осложняет
судоходство и эксплуатацию водозаборов, причалов и других сооружений.
При длительных ветрах одного направления наблюдаются сгоннонагонные 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 сейшевых колебаний уровня, вызываемых резкими
перепадами атмосферного давления над разными районами крупных
водохранилищ, достигает нескольких десятков сантиметров. В результате
стоковых, дрейфовых и компенсационных течений в водохранилищах
формируется нестационарная система транзитно-циркуляционных течений,
существенно неоднородная в разных частях водохранилища. 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, водо-обмен в которых происходит только
при глубокой сработке и наполнении водохранилищ.
Проточность водохранилищ, обусловленная, в основном, постоянными
стоковыми течениями, влияет на интенсивность турбулентного
перемешивания
воды,
минерализацию,
гидрохимические
и
гидробиологические процессы. Проточность водохранилищ меняется по
годам и сезонам в зависимости от их водности и степени использования
водных ресурсов. Объем и динамика водных масс определяют влияние
водохранилища на температурный режим атмосферы над аква-торией и
прибрежной территорией.
От морфологических особенностей водохранилища (длина, ширина,
глубины и конфигурация) во многом зависят величина и направление
ветрового волнения, которые, в свою очередь, влияют на переформирование
дна и берегов, кислородный режим, возможность существования прибрежной
растительности и так далее.
Характерной особенностью водохранилищ является формирование в
них различных по своим физическим, химическим и биологическим
характеристикам водных масс, структура и конфигурация которых
подвержена сезонным изменениям. Поэтому, говоря о состоянии водо
хранилищ, особенно, качестве вод, необходимо дифференцировано рас
сматривать его отдельные части.
В целом же, роль водохранилищ в формировании качества вод двояка.
С одной стороны, несомненна положительная роль процессов самоочищения,
усиливающихся за счет седиментации, отстаивания, разбавления и
деструкции.
С другой стороны, особенности водохранилищ, например,
замедленный водообмен, термическая и кислородная стратификация,
ускоряют эвтрофикацию и усиливают интенсивность антропогенных
воздействий, делая водохранилища более уязвимыми для загрязнения, чем
реки. При этом необходимо отметить, что ориентировочная оценка
последствий создания водохранилища на качество вод может быть проведена
с помощью стандартных методов, используемых при нормировании сбросов
загрязняющих веществ в водохранилище и реку.
Таким образом, водохранилища – принципиально иные, чем озера и
реки, водные объекты, обладающие специфическими особенностями
гидрохимического, гидробиологического, гидрофизического и водного
режимов, которые не могут трактоваться только как положительные или
отрицательные
Воздействие водохранилищ на природную среду прилегающих
территорий
Водохранилища оказывают влияние, практически, на все компоненты
лито-, гидро-, атмо- и биосфер, образующих природную среду прилегающих
территорий, то есть на геодинамические условия, рельеф, режим подземных
вод, климат, почвы, растительность, животный мир и ландшафт, в целом
Влияние водохранилищ, даже самых крупных, на климат распространяется
на сравнительно небольшую территорию. При этом микроклимат отдельных
районов определяется увеличением суммарной радиации и радиационного
баланса, большей теплоемкостью водохранилищ по сравнению с сушей, а
само влияние неодинаково в различных природных зонах.
Так, в зоне недостаточного увлажнения оно менее значительно, чем в
зоне избыточного увлажнения. Весной водохранилища оказывают
охлаждающее воздействие на прибрежные территории, а во второй половине
теплого периода – отепляющее.
Значительно и многообразно влияние водохранилищ на уровень и
режим подземных вод. Река до создания водохранилища – это как бы
водоприемник грунтовых потоков.
С заполнением водохранилища грунтовые, трещинно-грунтовые,
частично трещинно-пластовые и трещинно-карстовые воды подпираются, и
уровень их поднимается до таких отметок, при которых они вновь стекают в
водохранилище. До этого момента они непрерывно накапливаются и
пополняются за счет просачивания из водохранилища. При этом уклон
потока грунтовых вод и скорость их движения, как правило, уменьшаются,
что также способствует повышению их уровня.
В результате, дренирующая роль водотока в целом уменьшается.
Подпор грунтовых вод распространяется в зависимости от местных условий
и происходит в зоне шириной от нескольких десятков метров до многих
километров от берега водохранилища. Уровень грунтовых вод вблизи
водохранилищ испытывает колебания в течение года, снижаясь при сработке
водохранилища и повышаясь при его заполнении; чем ближе к урезу, тем
больше амплитуда этих колебаний. Подъем грунтовых вод к поверхности
земли
вызывает
подтопление
фундаментов
зданий,
подземных
коммуникаций, сельскохозяйственных и лесных площадей, а при выходе на
поверхность – их заболачивание, а иногда – засоление.
При этом следует отметить, что наряду с отрицательными
последствиями подъема уровня грунтовых вод в ряде районов, где уровень
вод в естественном состоянии находится на большой глубине, происходит
увеличение запасов используемых грунтовых вод и улучшение условий
произрастания растительности.
Создание крупных водохранилищ в определенной степени повлияло на
современные тектонические процессы, в частности, на возникновение
небольших землятресений, что в отдельных случаях может приводить к
деформации ложа водохранилища, усилению переформирования берегов и
их подтоплению. С созданием водохранилищ начинается формирование
рельефа его берегов под преимущественно гидродинамическим действием
водоема и трансформированных гидро-морфологических процессов
(ветровое волнение, высота и морфология берегов, ледовый режим,
перемещение наносов вдоль берегов, характер пород, слагающих берега,
наличие и тип растительности. Еще одно возможное последствие
регулирования речного стока заключается в изменении почвенного и
растительного покрова приле-гающей береговой зоны.
Принято выделять следующие основные зоны влияния водохранилища
на почвенно-растительный покров:
1) постоянного, периодического и эпизодического затопления;
2) заболачивания;
3) сильного, умеренного и слабого подтопления;
4) активного и эпизодического климатического влияния.
Размеры территории, на которой происходят изменения почвенного и
растительного покрова, могут быть весьма значительными, особенно у
равнинных водохранилищ. Ширина отдельных зон колеблется от нескольких
метров до нескольких километров. В зоне периодического затопления
формируются болотные и торфяно-глеевые почвы с высокой степенью
заторфованности и большим содержанием закисных форм железа (Fe2+). В
зоне подтопления грунтовые воды подходят близко к поверхности, здесь
степень увлажнения почв определяется не только глубиной залегания
грунтовых вод, но и величиной их капиллярного подъема, которая в
зависимости от механического состава грунтов может колебаться от 0.5−1.0
до 6.0 м.
В зоне умеренного подтопления (уровень грунтовых вод на глубине от
1 до 2 м) доминирует процесс так называемого олуговения подзолистых
почв, когда в них повышается содержание гумуса, азота, фосфора, кальция и
соединений железа, в верхнем горизонте почв появляются охристые пятна и
прожилки. В зоне слабого подтопления (уровень грунтовых вод на глубине
2−4 м) увеличивается подвижность гумусовых веществ и железа, происходит
оглеение почвы.
Постоянное затопление территории приводит к полной гибели
существовавшей ранее наземной растительности. В зоне мелководного
постоянного затопления и на части территории зоны временного
подтопления формируется полоса гидрофильных и гигрофильных
ассоциаций. На их развитие большое влияние оказывает уровенный режим
водохранилищ, защищенность от волнения, характер и состав прежней
растительности, а также рельеф и грунты дна, химический состав вод и так
далее.
В зонах подтопления древесно-кустарниковая и травянистая
растительность по-разному реагирует на изменение увлажненности. Деревья
и кустарники более чутко, чем травы, реагируют на подъем грунтовых вод и
большей частью гибнут при сильном подтоплении. В зонах умеренного и
слабого подтопления водное и минеральное питание улучшается, вследствие
чего увеличиваются прирост древесины и общая масса некоторых видов трав.
При этом необходимо отметить, что изменение почвенного, растительного
покрова и водного режима территории приводит и к изменению фауны,
поскольку меняются условия обитания и кормовая база.
Зоны влияния водохранилищ на окружающую среду и
хозяйственную деятельность
Значение водохранилищ для отраслей хозяйства, в интересах которых
они создаются, и отраслей, связанных с использованием водных ресурсов,
очень велико. По степени и характеру воздействия водохранилищ в
отечественной теории и практике регулирования стока принято выделять на
прилегающих территориях следующие зоны:
1) зона прямого воздействия в верхнем бьефе:
1.1) зона постоянного затопления принимается обычно в пределах
уреза воды при НПУ с учетом кривой подпора обеспеченностью 10 %;
1.2) зона периодического временного затопления (между НПУ и
линией уреза воды с учетом подпора при прохождении паводков
обеспеченностью 0.3 % для железных дорог,
1 % − для населенных пунктов, 5 % − для сельхозугодий;
1.3) зона эпизодического временного затопления с обеспеченностью,
меньшей, чем указано выше (п.1.2); эта зона учитывается только в особых
случаях, например, при обосновании ФПУ;
1.4) зона повышения уровня грунтовых вод (подтопления); предельно
допустимой глубиной залегания уровня грунтовых вод считается глубина 1 м
для сельскохозяйственных угодий, 2 м – для сельских населенных пунктов, 3
м – для городов и поселков городского типа;
1.5) зона переформирования берегов водохранилищ; в проектах
учитывается перенос объектов из зоны переработки берегов, прогнозируемой
на 10-летний период; в зоне прогнозируемой переработки за 50 лет
ограничивается капитальное строительство;
1.6) зона климатического влияния (учитывается пока лишь в особых
случаях);
2) зона косвенного влияния в верхнем бьефе:
2.1) зона, выбывающая из прежнего хозяйственного использования по
производственно-экономическим соображениям; 2.2) зона отчуждения под
объекты, строительство которых вызывается созданием или эксплуатацией
водохранилища;
3) зона влияния в нижнем бьефе:
3.1) зона влияния многолетнего и сезонного регулирования стока рек;
3.2) зона влияния недельного и суточного регулирования стока рек; 3.3) зона
полного или частичного изъятия стока из реки (при отводе воды из
водохранилищ в деривационные водоводы, каналы переброски стока и так
далее). Все перечисленные выше зоны воздействия водохранилищ на
природу и хозяйство прилегающих районов образуют сложные сочетания: на
одну и ту же территорию могут оказывать влияние и временные затопления,
и подтопление, и изменение климата, и многолетнее, сезонное, недельное и
суточное регулирование стока. В зависимости от сочетания зон в верхнем
бьефе можно выделить несколько крупных комплексных ареалов
воздействия водохранилищ:
1) ареал сильного влияния включает зоны постоянного затопления,
переформирования берегов, часть зоны подтопления (ширина этого ареала
составляет в среднем 0,2−1,0 км);
2) ареал умеренного и слабого влияния водохранилищ охватывает
остальную часть зоны подтопления, зону систематического климатического
влияния (ширина ареала от 2−3 км до 10−15 км).
В нижнем бьефе зона влияния регулирования стока охватывает участок
или всю долину реки, ее протяженность может составлять от нескольких
километров для малых, до 300−1000 км для крупных водохранилищ.
В целом, влияние водохранилищ на окружающую среду, население и
хозяйственную деятельность исключительно многообразно и до конца не
изучено. В частности, в настоящее время, как это ни странно, отсутствуют
обобщенные сведения о крупномасштабных изменениях 100