Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

I. ВОДОХРАНИЛИЩА и их отличия от других типов ВОДОЕМОВ

Из всего многообразия преобразующей деятельности человека как по своим мас­штабам, так и по значению в глобальных экологических системах планеты особо выделяются два процесса: освоение но­вых территорий для сельскохозяйствен­ного производства, промышленного и гражданского строительства и преобра­зование речного звена гидросферы на ог­ромных пространствах суши путем гид­ротехнического строительства.

Гидротехническое строительство осу­ществляется на всех континентах пла­неты. Наиболее важное значение имеют различного рода мелиорации (осушение и орошение) и создание новых водных объектов — водохранилищ и каналов. Водохранилища — ключевые, базовые элементы гидротехнических и водохо­зяйственных систем любого ранга, по­скольку именно они позволяют осуще­ствить регулирование водных ресурсов, преобразование гидросферы в желаемом для общества направлении.

К внутренним водоемам относят озе­ра, лиманы, водохранилища, пруды. Во­дохранилища и пруды — очень похожие объекты. Разница между ними в разме­рах, но имеют значение и менее очевид­ные признаки.

В разных странах приняты разные количественные критерии, отличающие водохранилища от прудов. В США водо­хранилищем называется водоем, полез­ная (регулируемая) емкость которого превышает 5 тыс. акрофутов, т. е. 6,17 млн. куб. м. Водоемы, имеющие меньший полезный объем, называются прудами. В СССР и большинстве стран Западной Европы к водохранилищам относят водо­емы емкостью более 1 млн. куб. м.

Водохранилищами, по нашему мне­нию, следует считать искусственно соз­данные долинные, котловинные и есте­ственные озерные водоемы с замедлен­ным водообменом, полным объемом бо­лее 1 млн. куб. м, уровенный режим ко­торых постоянно регулируется (контро­лируется) гидротехническими сооруже­ниями в целях накопления и последую­щего использования запасов вод для удовлетворения хозяйственных и со­циальных потребностей. Отметим, что использование водохранилищ связано не только с безвозвратным изъятием воды. Для рыбного хозяйства, рекреации, ох­лаждения агрегатов электростанций, поддержания гарантированных судоход­ных глубин в пределах водохранилища и т. п. нужна акватория и водная масса в целом, а не только полезный объем, т. е. ежегодно расходуемый запас воды (рис. 1, 2).

У водохранилищ нет природных ана­логов. Лишь по форме чаши с ними сходны завально-запрудные озера. От­метим наиболее важные особенности во­дохранилищ.

1. Водохранилища — антропогенные, управляемые человеком объекты, но они испытывают также и сильнейшее воз­действие природных (прежде всего гид­рометеорологических) факторов, поэто­му как объекты изучения, использования и управления занимают промежуточное положение между «чисто природными» и «чисто техническими» образованиями. Это дает право именовать их природно­техническими системами.

2. Водохранилища заметно, а нередко и значительно воздействуют на окружаю­щую среду, вызывая изменения природ­ных и хозяйственных условий на приле­гающих территориях. Естественно, что наряду с заранее запланированными бла­гоприятными последствиями возникают также и последствия негативного, небла­гоприятного характера.

3. Водохранилищам свойственна осо­бая система так называемых внутриво — доемных процессов — гидрологических, гидрофизико-химических и гидробиоло­гических.

1. Типичный комп­лексный гидроузел на большой равнин­ной реке. Саратов­ский гидроузел на Волге

4. Водохранилища — водоемы, наибо­лее интенсивно используемые различны­ми отраслями хозяйства. На каждом значительном водохранилище форми­руется водохозяйственный комплекс (ВХК). Среди компонентов ВХК, т. е. всех отраслей хозяйства, использующих водохранилище и реку в нижнем бьефе, выделяют участников ВХК — отрасли, заинтересованные в создании водохра­нилища и финансирующие его. Осталь­

ные отрасли используют водохранилище, поскольку оно существует. Участники ВХК предъявляют различные, а подчас и противоречивые требования к режиму использования водохранилищ.

5. Для водохранилищ как природно­хозяйственных объектов характерна чрезвычайно высокая динамичность раз­вития (эволюции).

Рассмотрим кратко эти принципиаль­ные особенности.

Водохранилища — управляемые объ­екты. Это означает, что основные пара­метры водохранилища (объем, площадь, место расположения и режим регули­рования), а вместе с ними и многие другие характеристики определяются человеком на стадии проекта; в составе гидроузлов имеются специальные техни­ческие системы, сооружения и устрой­ства (гидротурбины, водосбросные от­верстия с затворами), позволяющие из­менять объем и уровень воды в водо­хранилище. Главная особенность реше­ний, связанных с эксплуатацией водо­хранилищ, — некоторая неопределен­ность, обусловливаемая стохастическим (вероятностным) характером направлен­ности и интенсивности гидрометеороло­гических процессов в водосборном бас­сейне.

Водохранилища следует рассматри­вать как природно-технические системы, комплексы, которые состоят из природ­ной и технической подсистем, диалек­тически взаимодействующих между со­бой. Учет этого взаимодействия может существенно увеличить возможности ра­ционального и комплексного использо­вания водохранилищ, а игнорирование — привести к значительным потерям. Уп­равляя технической подсистемой водо­хранилищ, человек может вызвать раз­витие таких процессов, явлений и эффек­тов в природной подсистеме, которые он пока не в состоянии предотвратить либо их преодоление требует значитель­ных затрат трудовых и материальных ре­сурсов. Поэтому управляемыми объекта­ми водохранилища можно считать лишь частично. Непосредственно и полностью человек управляет только запасами воды, а экосистемой и геосистемой водохрани­лища — частично и косвенно.

При создании водохранилищ проис­ходят многообразные изменения природ­ных и хозяйственных условий на тер­риториях, как непосредственно приле­гающих к новому водоему, так и на уда­ленных от него вниз по течению реки. Масштабы, глубина и направленность этих изменений определяются размера­ми нового водоема (площадь, объем вод­ной массы, длина, ширина) и своеобра­зием природных условий района, кото­рые могут ослаблять или, наоборот, уси­ливать влияние водохранилища.

2. Комплексный ( энергоирригацион­ный) гидроузел Хьюм на р. Муррей в предгорье Большо­го Водораздельного хребта (Австралия)

Общая характеристика водохранилищ

Когда говорят, что водохранилищам
присуща особая система внутриводоем — ных процессов, имеют в виду, что свой­ственные им гидрологические, гидрофи­зико-химические и гидробиологические процессы не идентичны тем, которые наблюдаются в других водных объек­тах — озерах, реках и каналах. Ведущи­ми факторами, определяющими специ­фику взаимосвязанных и взаимообуслов­ленных внутриводоемных процессов в водохранилищах, служат водообмен и уровенный режим водоема. Один из по­казателей водообмена — период, в те­чение которого происходит полная сме­на водной массы: для водохранилищ раз­ного типа он может составлять от не­скольких суток до нескольких лет.

Амплитуда колебаний уровня воды в разных водохранилищах изменяется так­же в широких пределах — от нескольких десятков сантиметров для равнинных во­дохранилищ до многих десятков и даже более 100 м для горных водохранилищ (рис. 3).

Именно эти факторы и отличают ус­ловия развития внутриводоемных про­цессов в водохранилищах от тех, которые характерны для озер и рек. Проявляется это в том, что в водохранилищах соз­даются активные гидродинамические зоны транзитного стока, т. е. направлен­ного движения воды к плотине, и обра­зуются зоны водоворотных циркуляций, когда частицы воды перемещаются по очень сложным замкнутым траекториям. Наличие такой сложной гидродинами­ческой структуры определяет многие важные для водоемов особенности: фор­мирование и движение водных масс; тер­мический, газовый и биогенный режимы; перемещение и осаждение минеральных и органических взвесей; процессы само­очищения воды и, наконец, жизненно важные условия обитания бактерий, ор­ганизмов, живущих в толще воды (план­ктон), донных организмов (бентос), вод­ной растительности, рыб.

Процессы трансформации вещества и энергии в водохранилищах имеют иные, чем в озерах и реках, масштабы, направленность, интенсивность и дли­тельность. Это выражается в показате­лях качества воды, в структуре и продук­тивности водных экосистем. В целом водохранилища можно рассматривать как своеобразные огромные преобразо­ватели и аккумуляторы вещества и энер­гии, но только не автономные, как, на­пример, озера. Рекам же в отличие от водоемов с замедленным водообменом, наоборот, свойствен поточный механизм преобразования вещества и энергии.

Этот накопительный эффект водохра­нилищ имеет как положительное (ос­ветление воды, снижение ее цветности, уменьшение содержания вредных бакте­рий), так и отрицательное значение (уменьшение самоочищающей способ-

ности воды, образование застойных зон, большее, чем в реках, прогревание воды, особенно на мелководьях, и как след­ствие — евтрофирование новых водое­мов). Характерные примеры евтрофиро — вания водохранилищ: избыточное раз­витие синезеленых водорослей (цвете­ние воды), чрезмерное продуцирование биомассы водной растительности (забо­лачивание акватории). Иначе говоря, для многих гидробионтов в водохрани­лищах создаются не самые лучшие ус­ловия; они к тому же усугубляются не­достаточно благоприятным уровенным режимом. Это в итоге существенно от­ражается на количестве и качестве хо­зяйственно наиболее ценной для чело­века рыбной продукции.

Возрастающее экономическое значе­ние водохранилищ, особенно крупных, выражается в формировании водохозяй­ственных комплексов. Водохранилища оказываются вовлеченными в систему связей и отношений не только собствен­но водохозяйственных, но и социально­экономических. Даже когда водохрани­лище создается в интересах только од­ной отрасли, со временем и другие от­расли хозяйства оказываются заинте­ресованными в его использовании.

3. Вид на Угличское водохранилище на Волге (имеет незна­чительные колебания уровня воды в течение большей части года)

Водохранилища посредством гидрав­лических и водохозяйственных связей неизбежно оказываются также включен­ными в сложную разветвленную систему природно-хозяйственных отношений сначала в пределах участка реки, затем в пределах речного бассейна; в дальней­шем с развитием межбассейновых пере­бросок поверхностного стока ключевая роль водохранилищ распространится на еще большие регионы.

Влияние современных водохозяйст­венных суперсистем и систем просле­живается во многих социально-эконо­мических сферах государств и прости­рается далеко за пределы районов са­мих водохранилищ как базовых элемен­тов этих систем.

Один из ярких примеров — водохо­зяйственная суперсистема бассейна Вол­ги, насчитывающая 14 крупных и сотни небольших водохранилищ, режим ис­пользования которых ощущается на всем протяжении великой русской реки. Вели­кой также и потому, что на территории волжского бассейна проживает почти каждый четвертый житель страны и про­изводится четверть всей промышленной и сельскохозяйственной продукции. Ана­логичные водохозяйственные суперсис­темы на базе водохранилищ сформирова­лись на Днепре, Сырдарье, Амударье, Ангаре, а также на Колумбии, Теннесси, Паране и многих других крупных реках планеты.

Поскольку вопросам рационального использования водохранилищ посвяще­на специальная глава книги, отметим только, что на современном этапе про­исходят заметные изменения структуры водохозяйственных комплексов. Они вы­ражаются в увеличении числа компонен­тов и участников ВХК, в формировании водохозяйственных систем из несколь­ких ВХК, в изменении традиционных требований отраслей хозяйства к ис­пользованию водохранилищ.

И наконец, несколько слов еще об од­ной принципиальной особенности водо­хранилищ — высокой их динамичности как природно-хозяйственных объектов. Эта динамичность обусловлена тремя факторами: 1) изменчивостью гидроме­теорологических процессов, определяю­щих гидрологический режим водоема; 2) стремительным изменением воздей-

Общая

характеристика

водохранилищ

4. Основные элемен­ты и зоны водохра­нилища

Основные элементы режима водохранилища.

1— меженный уровень воды до подпора;

2 — половодный (паводко­

вый) уровень до подпора;

3 — нормальный подпорный

уровень (НПУ);

4 — половодный (паводко­вый) уровень в условиях

подпора

ствия хозяйства на природную среду, в том числе и на водоемы; 3) изме­нениями по разным причинам режима эксплуатации водохранилищ. Совокуп­ное воздействие указанных факторов приводит к тому, что водохранилища крайне редко можно считать стационар­ными объектами, эволюцию которых лег­ко и однозначно определить на основе прошлой предыстории. Поэтому если и говорится о каком-либо равновесном со­стоянии водохранилищ, то всегда под­разумевается динамическое равновесие их как природно-хозяйственных объек­тов, которое может резко нарушиться при изменении любого из указанных вы­ше факторов. Динамичность водохрани­лищ проявляется во всех их характе­ристиках, но, пожалуй, наиболее ярко — в процессах формирования берегов, из­менении качества воды, структуры и про­дуктивности водных и наземных (в бе­реговой зоне) экосистем. В специальной литературе иногда даже употребляется термин «эволюция водохранилищ», одна­ко если эволюция озер продолжается в течение многих сотен и тысяч лет, то в водохранилищах существенные изме­нения основных процессов и явлений происходят по крайней мере на порядок быстрее. Если в озерах изменения носят постепенный и направленный («правиль­ный») характер, то водохранилища раз­виваются циклически и скачкообразно в соответствии с соотношением измене­ний ведущих факторов.

Прежде чем перейти к дальнейшему изложению, поясним несколько основ­ных положений и терминов (рис. 4).

Главная цель создания водохрани­лищ — регулирование стока. Оно де­лается в основном в интересах энерге­тики, ирригации, водного транспорта, во­доснабжения и в целях борьбы с навод­нениями.

Для этого в водохранилищах аккуму­лируется сток в одни периоды года и отдается накопленная вода в другие периоды.

Период аккумуляции стока называется наполнением водохранилища, а процесс отдачи накопленной воды — сработкой водохранилища. Как наполнение водо­хранилища, так и его сработка произво­дятся всегда до более или менее опре­деленных уровней. Высший проектный уровень водохранилища (верхнего бьефа плотины), который подпорные сооруже­ния могут поддерживать в нормальных эксплуатационных условиях в течение

длительного времени, называется нор­мальным подпорным уровнем (НПУ).

На нормальный подпорный уровень рас­считываются как сооружения инженер­ной защиты, так и все промышленные, транспортные, коммунальные и другие сооружения, располагающиеся на бере­гах водохранилища. Минимальный уро­вень водохранилища, до которого воз­можна его сработка в условиях нормаль­ной эксплуатации, называется уровнем мертвого объема (УМО). Объем воды, заключенный между НПУ и УМО, назы­вается полезным, так как именно этим объемом воды и можно распоряжаться в различных хозяйственных и других целях. Объем же воды, находящейся ни­же УМО, называется мертвым, так как использование его в нормальных усло­виях эксплуатации не предусматривает­ся.

Пропускная способность гидроузла (его турбин, водосливных пролетов, дон­ных отверстий, шлюзов) по экономичес­ким и реже техническим соображениям ограниченна. Поэтому когда по водохра­нилищу идет расход очень редкой повто­ряемости (раз в сто, тысячу, а то и десять тысяч лет), гидроузел не в состоянии пропустить всю массу воды, идущую по реке. В этих случаях уровни воды на всем водохранилище и у плотины повы­шаются, увеличивая его объем иногда на значительную величину; одновремен­но увеличивается пропускная способ­ность гидроузла. Такой подъем уровня выше НПУ в период прохождения вы­соких половодий редкой повторяемости называется форсированием уровня водо­хранилища, а сам уровень — форсиро­ванным подпорным (ФПУ). На водохра­нилищах, используемых для водного транспорта или лесосплава, сработка уровня в период навигации ограничи­вается уровнем, при котором речной флот по состоянию глубин может про­должать нормальную работу. Этот уро­вень, находящийся между НПУ и УМО, называется уровнем навигационной сра­ботки (УНС). Уровни воды, в особен­ности при НПУ и ФПУ, у плотины, в средней и верхней зонах водохранилища не одинаковы. Если у плотины уровень соответствует отметке НПУ, то по мере удаления от нее он повышается вначале на сантиметры, а затем и на десятки сантиметров, а в отдельных случаях и на один-два метра. Это явление носит на­звание кривой подпора.

Комментарии запрещены.