Что такое водохранилища

Такого  положения в естественных озерах, за редким исключением, не бывает. А  в числе особенных водоемов, с  гидрологических позиций, помимо уже  упомянутого озера Ильмень, следует  назвать крупные бессточные озера: Чаны (юг Западной Сибири), Денгиз (Северный Казахстан), Алакуль (Восточный Казахстан). Площади их зеркала также колеблются в больших пределах, с той, однако, разницей (по сравнению с водохранилищами), что эти колебания происходят не внутри года, а внутри группы лет, в зависимости от размеров стока  с водосборной площади.

Четвертое отличие водохранилища от озера  заключается в следующем. Все  физические, химические и биологические  процессы (выделяющие озеро среди  других поверхностных материковых  водоемов), которые формируют облик  озера как природного географического  объекта, происходят в условиях весьма замедленного водообмена. Однако в подавляющем большинстве водохранилищ, созданных в речных долинах, это замедление гораздо меньше, чем в естественных озерах, и вот по каким причинам.

При сооружении каскадов ГЭС на крупных реках  наибольшие регулирующие емкости сосредоточены  в немногих из них. На Волге, например, из семи водохранилищ от Иваньковского  до Волгоградского основная регулирующая роль возложена на Куйбышевское и  Рыбинское водохранилища, а на Днепровском каскаде, где шесть водохранилищ,— на Кременчугское. В приплотинных зонах этих водохранилищ действительно наблюдается настолько замедленный водообмен, что его можно уподобить озерному, причем глубоководные зоны таких водохранилищ во многом приближаются по ряду особенностей своей водной массы к озеру. Однако это относится лишь к глубоководной приплотинной зоне. Подавляющее число крупных равнинных водохранилищ даже в этой своей зоне имеет менее замедленный водообмен, например Горьковское на Волге. В нижней части оно расширяется наподобие озера, но, по свидетельству К. К. Эдельштейна, замедленный водообмен, тождественный озерному, наблюдается не круглый год, а лишь в позднее - весенний и летне-осенний периоды (около 6,5—7 месяцев). Остальное же время водохранилище весьма интенсивно промывается: ранней весной — вешними водами Верхней Волги и притоков, зимой — водами из Рыбинского водохранилища. Интенсивный промыв свойствен и ряду горных водохранилищ.

Таким образом, по характеру водообмена, в большой  мере определяющему тип водного  режима водоема в самых различных  аспектах, основная масса водохранилищ занимает промежуточное положение  между реками (с их ускоренным транзитным водообменом) и озерами.

Итак, водохранилище  представляет собой искусственно созданный  природный объект, входящий в состав более сложного образования —  геотехнической (природно-технической) системы, состоящей из природных  и технических элементов, тесно  связанных между собой вещественно-энергетическими  и информационными потоками. К  техническим элементам, или подсистемам, отнесем плотину, шлюзы, рыбоподъемники, турбины, линии электропередач, отходящие  от гидростанции. Водохранилище и  каждый из названных технических  элементов функционируют как  целостное образование. Внимание к  различным сочетаниям технических  и природных систем в последние  годы резко возросло. Это связано  с тем, что взаимодействие человека с природой осуществляется сейчас в  основном не непосредственно, а через  технику. Насыщенность природной среды  техническими сооружениями возрастает с каждым годом. Инженерно-технические  сооружения чрезвычайно разнообразны. Весьма разнообразна и степень или жесткость связи технического сооружения с природной средой.

Наиболее  простыми, с точки зрения влияния  на природную среду и взаимодействия с геосистемами, представляются нам  сооружения типа маяков, светофоров, вышек, антенн. Это пассивные сооружения, влияющие на природу лишь в силу своего присутствия. Направленный поток  вещества через природные и технические  элементы отсутствует. Работа (антенн, маяков) меньше зависит от состояния  внешней среды. Можно, правда, возразить: например, в густом тумане дальность видимости прожектора маяка резко снижается. Но при этом собственно его функционирование — мощность светового потока — не зависит от состояния атмосферы.

Иное  положение в геотехнической (природно-технической) системе. Ее работа зависит от свойств  природной среды и человека. Взаимосвязь достигается сквозными потоками вещества, энергии и информации через все подсистемы. Эти потоки устойчивы во времени и пространстве, так как определяются технологией производства. Неотъемлемая часть геотехнической системы — управляющая подсистема — блок регулирования. Геотехническая система энергетического назначения, частью которой является водохранилище,— активное сооружение, поскольку оно специально предназначено для изменения свойств природной среды и извлечения (производства) из нее энергии. Благодаря использованию информации о состоянии различных подсистем геотехнической системы открываются возможности рационализации ее функционирования. Возможность регулирования режимом всей системы, с учетом информации о состоянии ее подсистем, позволяет предотвратить многие опасные или нежелательные явления в зоне влияния сооружения. Для иллюстрации этого утверждения применительно к водохранилищам обратимся к трем примерам. Сильное заболачивание в прибрежных биогеоценозах наблюдается в годы с высоким уровнем водохранилища за вегетационный период. Но особенно неблагоприятен такой режим в период избыточного атмосферного увлажнения. Даже небольшое снижение уровня воды в водоеме, иногда только на 0,2—0,3 м, позволяет либо полностью избежать активизации процессов заболачивания, либо сильно уменьшить ее. Поэтому в интересах сельского и лесного хозяйств, ведущихся на прилегающих к водохранилищу территориях, в ряде случаев необходимо снижение уровня воды в водохранилище в летний период.

Другой  пример — сброс воды в нижний бьеф в сухой период в интересах  водного транспорта для поддержания  гарантированных глубин. И в этом случае регулирование осуществляется путем изменения уровенного режима водоема. Рациональные сбросы воды из водохранилища в нижний бьеф следует  рассматривать как улучшение  режима водохранилища благодаря  использованию информации, поступающей  по самым различным каналам и  в различных целях. Например, информация, уточняющая ранее данный гидрологический  прогноз и предупреждающая о  паводках на притоках в объемах больше ожидавшихся, заставит сделать сброс  из водохранилища, чтобы подготовить  его к приему дополнительных вод  и не допустить такого повышения  уровня воды в нем, которое нарушило бы нормальную эксплуатацию береговой  полосы и сооружений, на ней расположенных. В других случаях размер сброса в  нижний бьеф диктуется информацией  о санитарно-гигиеническом состоянии  нижнего бьефа; обычный (заранее  установленный) санитарный попуск может  быть резко увеличен, если этого  требует обстановка. Большой интерес  и сложность представляют собой  специальные сельскохозяйственные и рыбохозяйственные весенние попуски. Они должны имитировать половодье, обводнить пойму и дельту в  достаточной мере для последующей  вегетации и для того, чтобы  обеспечить нерест проходных и полупроходных  рыб и последующий уход (рыбаки говорят «скат») в море молоди. При  этом нужно потратить меньше воды, чем ее уходит в процессе естественного половодья, используя эту воду для других целей и в другие сезоны года. Ежегодное заблаговременное определение объема и режима такого попуска, наиболее оптимального также и с позиций удовлетворения потребностей других отраслей хозяйства, корректировка режима сброса в ходе его осуществления — сложная задача, решение которой связано с учетом многих вводных информационных данных природного и хозяйственного характера. Функционирование геотехнической системы энергетического назначения, как указывалось выше, определяется как природными закономерностями (влажностью года, термическими условиями и т. д.), так и общественными (потребностями в электроэнергии, в воде на орошение и обводнение земель и многое другое). В этих условиях представляется важным избежать улучшения деятельности одной или двух подсистем или отраслей хозяйства в ущерб эффективности ее деятельности в целом. Например, если режим уровня подчинить интересам только водного транспорта, а не энергетики, то гидроэлектростанции потеряли бы одно из главных своих качеств в энергосистеме — способность покрывать пиковые нагрузки: сезонные, недельные, суточные. Рассмотрим области влияния собственно водохранилища (как составного элемента всей системы). Прежде всего прослеживаются области влияния на природную среду в районе верхнего и нижнего бьефов. Район верхнего бьефа. Воздействие водохранилища осуществляется по подвижным компонентам ландшафта: водным и воздушным массам, животному миру. Воздушные массы, проходя над акваторией, трансформируются, приобретают новые черты и создают тем самым зону климатического влияния. Движение водных масс создает зону размыва и аккумуляции берегов, зону гидрологического влияния (подпор боковых рек, притоков главной реки) и зону гидрогеологического влияния, связанную с фильтрацией вод из водоема в берег и подпором грунтовых вод со стороны фильтрационного потока от водохранилища.

Животный  мир как подвижной компонент  ландшафта воздействует на прилегающую  территорию. Это влияние проявляется  главным образом в период затопления территории, когда из зоны затопления ввиду надвигающейся «катастрофы» мигрируют на водораздел животные долин. Это воздействие относительно кратковременное, поскольку после наполнения водоема  животные находят постоянные места  обитания либо в долинах соседних рек, либо приспосабливаются к новым  условиям, внося, однако, изменения  в прибрежные ландшафты. Вернемся к  рассмотрению зон влияния водохранилища. Изменения в климате прилегающей  территории и в режиме грунтовых  вод обусловливают в свою очередь преобразования в растительном, почвенном покрове и животном мире.

Внутри  зон влияния прослеживаются подзоны, пояса в зависимости от интенсивности  воздействия акватории, характера  рельефа и других местных условий. Далее рассмотрим подобное образование  подзон и поясов влияния в зоне гидрогеологического воздействия  водохранилища на растительный древесный  покров.

В нижнем бьефе (ниже плотины) отчетливо прослеживается зона гидрогеологического влияния. Снижение здесь уровня воды в реке, ликвидация весеннего паводка ведут  к преобразованиям в режиме грунтовых  вод прилегающей территории. Это  в свою очередь вызывает изменения  в почвенном, растительном покрове  и в небольшой степени в  животном мире в долине реки. Изменения  связаны также с новым термическим  режимом реки. Длина зоны влияния  в нижнем бьефе обычно достигает  нескольких сот километров. В той  или иной степени она простирается до устья реки, но обычно ограничена последующим водохранилищем, если мы имеем дело с каскадом ГЭС Наконец, следует сказать несколько слов о недавно выявленном виде влияния  крупных водохранилищ на окружающую природную среду. Водохранилища  активизируют движения земной коры, вызывая  даже небольшие землетрясения. Например, на водохранилище Кариба расположенном  в Южной Африке, зарегистрированы подземные толчки. Отмечались они и на некоторых других очень крупных искусственных водоемах земного шара такое явление следует объяснить изменением поля давления, перемещением центров давления.

 

 

 

 

 

 

 

3 Влияние  водохранилищ на климат 

 

 

Воздействие акватории на климат прибрежной территории всегда вызывает повышенный интерес  у местных жителей. Увеличение или  снижение атмосферных осадков в  отдельные годы, теплые зимы или  холодные весны, интенсивные летние грозы, густые осенние туманы — все  эти явления местное население  нередко пытается связать с образованием искусственного озера.

Правомерно  ли такое объяснение? Может ли водоем площадью в несколько тысяч квадратных километров повлиять на метеорологический  режим? Как далеко распространяются воздействия водохранилища?

Каждый  человек, побывавший в летний полдень  на берегу озера или водохранилища, даже небольшого пруда, испытывал на себе их охлаждающее влияние. В ясный  весенний и летний день можно наблюдать  развитие бриза на берегу крупного водоема, что также является характерной  чертой метеорологического режима побережья. Осенью теплое водохранилище способствует образованию туманов. Многочисленные факты и наблюдения метеорологических  станций показывают, что климат прибрежной зоны приобретает ряд новых постоянных черт, ранее до создания водохранилища  отсутствующих.

Климат  как многолетний режим погоды формируется под влиянием ряда факторов, важнейшими из которых являются два: приход — расход солнечной энергии (радиационные факторы) и циркуляция атмосферы. Именно они определяют смену  времен года, оттепели зимой и похолодания  летом, продолжительные засушливые и влажные периоды. Но важную роль играют и местные условия. В их число входят: рельеф территории (расчлененность, экспозиция и крутизна склонов, высота), характер растительного покрова, степень  хозяйственного освоения. Наличие большого водохранилища играет роль местного фактора, Прежде всего встает вопрос, в чем состоит физический механизм влияния водной поверхности на метеорологический режим прибрежной зоны.

Напомним  о различиях в физических свойствах  водной поверхности и поверхности  суши как деятельных поверхностях, трансформирующих поток солнечной  энергии. Альбедо водной поверхности (отношение отраженной радиации к  суммарной) при высоте солнца более 20° колеблется от 6 до 12% и всегда меньше альбедо поверхности суши. Наибольшие различия в альбедо наблюдаются  в переходные сезоны, когда водохранилище  свободно ото льда.

В таежной  зоне в среднем за летний период различия в альбедо суши и водной поверхности составляют 2—5%, увеличиваясь в зоне лиственных лесов до 3—7, в  стенной — 8—15 и в зоне пустынь  — 20—30%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Влияние  водохранилища на почвы и растительность.

 

 

Отношение объема воды, поступающей из водоема  в грунт окружающей территории, к  полному объему водохранилища составляет обычно 1-т-5%. Например, для Рыбинского водохранилища, полный объем которого 25,4 км3, отношение всего лишь 1,2%. Но какую огромную роль в природных  процессах на побережье играет этот, казалось бы, скромный объем влаги!

Воды  водохранилища с большой силой  давят на водоносные слои берегов. Скорость их проникновения в берег (фильтрация) зависит от механического состава  пород, слагающих территорию. Показателем  водопроницаемости служит коэффициент  фильтрации — К. Если берег образован  трещиноватыми известняками, коэффициент  фильтрации может достигать 500—1000 м/сутки. В том случае, когда район сложен грубым аллювием — крупнозернистыми песками с гравием и галькой, К снижается до 20—500 м/сутки. В песках он изменяется от 1 до 50 м/сутки. В суглинках коэффициент фильтрации резко снижается, но даже тяжелые суглинки и глины не являются абсолютно водонепроницаемыми породами. К в глинах равен примерно 0,01 м/сутки, т. е. вода за сутки успевает пройти расстояние в 1 см.

Преобразования  в почвенных и биологических  процессах связаны также, но в  меньшей степени с новыми чертами  в метеорологическом режиме, о  которых речь шла в предыдущей главе. Ниже мы рассмотрим главным образом  гидрогеологическое влияние на биогеоценозы побережий. Водный режим растений и  почв, вовлеченных в сферу влияния  водохранилищ, имеет ряд характерных  особенностей, которые ранее не наблюдались. Между подтоплением растительности со стороны водохранилища, подтоплением ее в поймах рек, сток которых не зарегулирован, и заболачиванием лесов  на водораздельных пространствах в  таежной зоне существуют принципиальные различия.

Подтопление речными водами в поймах рек происходит в самом начале вегетационного периода, когда средняя суточная температура  воздуха не превышала 10°. Затем уровень воды в реке обычно резко падает. В зоне влияния водохранилища начало и продолжительность подтопления зависят от его уровня; при этом, как правило, высокий уровень бывает в первой половине вегетационного периода до середины июля, а иногда до октября. В поймах рек древесная и другая растительность устойчива к избыточному увлажнению. В зоне влияния водохранилищ они нередко неустойчивы, в особенности лишайниковые боры. Наконец, в естественных условиях заболачивание водораздельных лесов идет по атмосферному типу, а в зоне гидрогеологического воздействия водохранилищ — по грунтовому или атмосферно-грунтовому.

Интенсивность влияния водохранилища на почвенно-растительный покров определяется величиной подъема  зеркала грунтовых вод по сравнению  с их положением до образования водоема. Значительную роль играет литологический состав пород, слагающих берег, свойства растительности (тип леса, его возраст, бонитет и т. д.).

Тип I. В  течение всего вегетационного периода  уровень воды выше или равен НПУ. Подтип а характерен для Рыбинского, Горьковского и Новосибирского водохранилищ, где наполнение водоема заканчивается  в мае. Подтип б типичен для  Камского водохранилища; отметка НПУ  достигается в июне.

Тип II. НПУ  устанавливается на непродолжительное  время в начале вегетационного периода; с июня происходит постепенное снижение уровня, к августу — на 0,5— 1,0 м (подтип а). Подтип б отличается от а  тем, что снижение уровня происходит с середины вегетационного периода, т. е. на один-два месяца позже. Неоднократно наблюдался на Камском водохранилище.

Тип III. В  течение всего вегетационного периода  уровень на 1—3 м ниже НПУ. Несколько  раз зафиксирован на Рыбинском водохранилище. Разнообразие режима уровня определяет разнообразие грунтового увлажнения прибрежных биогеоценозов. Но возникает вопрос, насколько велика роль местных условий  в дальности проявления колебаний  уровня водохранилища.