Нормативные уровни и составляющие объема водохранилищ. Определение полезной емкости водохранилища
Полезный объем Wплз. нетто водохранилища уточняем, имея потерю воды из водохранилища на испарение, фильтрацию и льдообразование. Для этого предварительно определяем полный объем водохранилища Wср в каждом месяце и площадь щср.
Так, полный объем водохранилища
W = Wплз. нетто + Wмо,
где Wмо - мертвый объем водохранилища.
В связи с тем, что данные о мутности воды в задании отсутствуют, мертвый объем вычисляем ориентировочно. Допустим, что
Wмо? 0.1· Wплз. = 0.1·7.484 = 0.7484 млн. м3.
Значения полного объема записываем в графу 2 табл.3.
Затем определяем средние за месяц объемы водохранилища Wср, с которым с помощью топографических характеристик находим площадь зеркала щ.
Потери на испарение вычисляем за каждый месяц по формуле
где hи - слой испарения.
Результаты вычислений заносим в графу 6 табл.3.
Потери на фильтрацию Wф в каждом месяце находим по формуле
Wф = щi·kф·ni,
где kф = 0.003 м/сут,
ni - число дней в месяце.
Результаты заносим в графу 7 табл.3.
Потери на льдообразование
Wл = 0.9·kл· hл·(щн - щк),
где 0.9 - относительный вес льда;
kл - коэффициент постепенного нарастания толщины ледяного покрова, равный примерно 0.65;
hл - среднемноголетняя толщина льда к концу ледостава;
щн и щк - площадь зеркала водохранилища в начале и конце ледостава.
Распределяем объем потерь Wл на зимние месяцы (графа 8 табл.3), а затем находим сумму потерь воды (графа 9 табл.3).
С учетом этих потерь избытки уменьшатся, а недостатки увеличатся (графы 11 и 12 табл.3), поэтому полезный объем брутто составит
Wбр = 9.578 млн. м3.
Сброс соответственно уменьшится: 16.348 млн. м3
Тогда полный объем водохранилища составит
Wполн = Wмо + Wфр + Wфр = 0.7484 + 9.578 + 0 = 10.326 млн. м3.
Характерные уровни и емкости водохранилища
Основными характеристиками водохранилищ являются:
нормальный подпорный уровень НПУ, м;
уровень мёртвого объема УМО, м;
катастрофический подпорный уровень КПУ, м;
полный объем водохранилища W, млн. м3 или км3;
полезный объем водохранилища Wплз, млн. м3 или км3;
мертвый объем водохранилища Wмо, млн. м3 или км3;
объем форсировки водохранилища Wфс, млн. м3 или км3;
коэффициент емкости водохранилища в= Wплз/Wо,
где Wо - средний многолетний сток.
НПУ - уровень воды, до которого водохранилище заполняется в нормальных условиях.
Полный объем водохранилища W - объм, заключенный между дном чаши водохранилища и зеркалом воды на отметке НПУ. Полный объем W не целиком используется для регулирования стока. Нижняя часть водохранилища, предназначенная для поддержания минимальных уровней воды и осаждения в ней наносов, называется мертвым объемом Wмо и сработке не подлежит.
Объем водохранилища, заключенный между поверхностями воды на отметках НПУ и УМО, называется полезным объемом -- Wплз. В периоды многоводья он заполняется, а в периоды маловодья опорожняется. Объем, заключенный между поверхностями воды на отметках НПУ и КПУ, называется объемом форсировки. КПУ -- катастрофически подпертый уровень в период пропуска через гидроузел исключительно многоводных половодий или паводков. Объем, форсировки Wфс служит для уменьшения величины сбросных расходов через гидроузел.
Рисунок 2. Основные элементы водохранилища
Образование водохранилища вызывает изменения в режиме водотока. В верхнем бьефе эти изменения в основном сводятся к следующему:
повышаются уровни воды и увеличиваются глубины, чтосвязано с затоплением территории в пределах чаши водохранилища;
уменьшаются скорости течения, в результате чего происходит выпадение значительной части осадков;
увеличивается водное зеркало, в связи с чем происходит увеличение испарения, что ведет к повышению солености воды в водохранилище.
В нижнем бьефе происходят такие изменения: уменьшаются половодные и паводковые расходы и увеличиваются меженние; и происходит размыв русла ниже гидроузла. Кроме указанных изменений в водотоке в верхнем бьефе происходят следующие: затопление территории в пределах чаши водохранилища; подтопление прилегающих к водохранилищу земель и обрушение берегов водохранилища под воздействием волн.
Кроме постоянного затопления земель, занятых водохранилищем в пределах НПУ, хозяйственное использование которых невозможно, наблюдаются временные затопления территории выше НПУ во время катастрофических половодий и паводков, от нагона воды ветром на берега и от подъема уровней воды при заторах и зажорах. Хозяйственное использование временно затопляемых земель возможно. При подтоплении происходит подъем грунтовых вод, что резко ухудшает условия хозяйственного использования земель и требует осушительных мероприятий.
Характерные уровни воды и их отметки находим, используя топографические характеристики водохранилища:
НПУ, соответствующий наполнению Wполн = 10.326 млн. м3, на отметке НПУ = 131.8 м плотины равен
НПУ = НПУ - ПП = 131.8 - 120.0 = 11.8 м;
Уровень мертвого объема на отметке УМО = 121.2 м равен
УМО = УМО - ПП = 121.2 - 120.0 = 1.2 м;
Форсированный подпорный уровень ФПУ равен
ФПУ = НПУ + 2.0 = 13.8 м,
где ПП - отметка подошвы плотины.
Сооружение водохранилищ – это, по сути, важнейший способ человечества выжить на нашей планете. Роль водохранилищ во все времена была грандиозной: от накопления воды для бытовых нужд, орошения сельхозугодий, борьбы с наводнениями в древности до получения электроэнергии в наши дни. Первые водохранилища человек построил более 3 тысяч лет назад в Древнем Египте, Месопотамии и Китае. Позже такие сооружения стали возводить в Индии, Иране, и Сирии.
Представляем подборку пяти самых крупных мировых водохранилищ при гидроэлектростанциях. Наслаждайтесь видами!
- Виктория, р. Нил (Уганда, ГЭС «Оуэн-Фолс»)
Полный объем: 205 км 3
Площадь: 76 000 км 2 (сопоставима с площадью такой страны, как Республика Панама)
Длина: 320 км
Ширина: 275 км
Максимальная глубина: 83 м
Высота плотины: 31 м
Год начала строительства: 1947
Год завершения заполнения: 1954 - Братское, р. Ангара (Россия, ГЭС «Братская»)
Полный объем: 169 км 3
Площадь: 5470 км 2
Длина: 570 км (равно расстоянию между двумя Европейскими столицами Прагой и Будапештом)
Ширина: 25 км
Максимальная глубина: 150 м
Высота плотины: 124,5
Год начала строительства: 1955
- Кариба, р. Замбези (Замбия, Зимбабвэ, ГЭС «Кариба»)
Полный объем: 160 км 3
Площадь: 4450 км 2
Длина: 220 км
Ширина: 40 км
Максимальная глубина: 78 м
Высота плотины: 126 (это высота четырех девятиэтажных домов)
Год начала строительства: 1957
Год завершения заполнения: 1963
- Насер, р. Нил (Египет, Судан, Асуанский гидроузел)
Полный объем: 157 км 3
Площадь: 5120 км 2
Длина: 550 км
Ширина: 35 км
Максимальная глубина: 130 м (это в десять раз превышает глубину Азовского моря в его самой низкой точке)
Высота плотины: 111 м
Год начала строительства: 1960
Год завершения заполнения: 1970
- Вольта, р. Вольта (Гана, ГЭС «Акосомбо»)
Полный объем: 147 км 3
Площадь: 8500 км 2 (занимает почти 4% площади Ганы)
Длина: 400 км
Максимальная глубина: 80 м
Высота плотины: 111 м
Год начала строительства: 1961
Год завершения заполнения: 1967
Интересно, что следующие по величине пять водохранилищ находятся именно в России: Красноярское, Зейское, Усть-Илимское, Куйбышевское, Байкальское (Иркутское).
Водохрани́лище – искусственный водоём , созданный для накопления и последующего использования воды и регулирования стока .
Водохранилища стали сооружать ещё в глубокой древности для обеспечения водой населения и сельского хозяйства. Одним из первых на Земле считают водохранилище с плотиной Садд эль Кафара, созданное в Древнем Египте в 2950–2750 гг. до н. э. В XX в. водохранилища стали сооружать повсеместно. В настоящее время их на земном шаре более 60 тыс.; ежегодно в строй вводится несколько сот новых водохранилищ. Общая площадь всех водохранилищ мира более 400 тыс. км 2 , а с учетом подпруженных озёр – 600 тыс. км 2 . Суммарный полный объём водохранилищ достиг почти 6,6 тыс. км 3 . Многие реки земного шара – Волга , Днепр , Ангара , Миссури, Колорадо, Парана и другие – превращены в каскады водохранилищ. Через 30–50 лет водохранилищами будет зарегулировано 2/3 речных систем земного шара.
Приблизительно 95% объёма всех водохранилищ мира сосредоточено в крупных искусственных водоёмах с полным объёмом более 0,1 км 3 . В настоящее время таких водохранилищ более 3 тыс. Большинство из них расположено в Азии и Северной Америке, а также в Европе.
В России насчитывается более 100 крупных водохранилищ с объёмом более 0,1 км 3 каждое. Их суммарные полезный объём и площадь равны соответственно около 350 км 3 и более 100 тыс. км 2 . Всего же в России, более 2 тыс. водохранилищ.
Самые большие по площади водохранилища в мире (без учета подпруженных озёр) – это Вольта в Гане на р. Вольте, Куйбышевское в России на Волге, Братское в России на Ангаре, Насер (Садд-эль-Ааои) в Египте на Ниле. Самый большой полезный объём (без учета подпруженных озёр) имеют водохранилища Вольта, Насер, Братское, Кариба (на р. Замбези в Замбии и Зимбабве).
Назначение водохранилищ
Строительство и эксплуатация водохранилищ позволяет более рационально использовать водные ресурсы . Накопленную в водохранилищах воду используют для орошения и обводнения земель, водоснабжения населённых пунктов и промышленных предприятий, санитарных промывок речных русел , улучшения судоходных условий ниже по течению в маловодный период года и т. д. С помощью водохранилищ регулируют речной водный сток для гидроэнергетики, с целью предотвращения наводнений . Водохранилища используют также для рыбного хозяйства, водного транспорта, рекреации (отдыха людей), водного спорта.
По способу заполнения водой водохранилища бывают запрудные, когда их наполняет вода водотока , на котором они расположены, и наливные, когда вода в них подается из рядом расположенного водотока или водоёма. К наливным водохранилищам относятся, например, водохранилища гидроаккумулирующих электростанций.
По географическому положению водохранилища делят на горные, предгорные, равнинные и приморские. Первые из них сооружают на горных реках, они обычно узкие и глубокие и имеют напор, т. е. величину повышения уровня воды в реке в результате сооружения плотины, 100–300 м и более. В предгорных водохранилищах обычно высота напора 30–100 м. Равнинные водохранилища обычно широкие и мелкие, высота напора – не более 30 м. Приморские водохранилища с небольшим (несколько метров) напором, сооружают в морских заливах, лиманах, лагунах, эстуариях .
Примерами высоконапорных горных водохранилищ служат Нурекское и Рогунское на Вахше с высотой напора около 300 м. К предгорным водохранилищам могут быть отнесены некоторые водохранилища Енисейского и Ангарского каскадов: Красноярское (высота напора 100 м), Усть-Илимское (88 м). Примерами равнинных водохранилищ могут служить водохранилища Волжского и Днепровского каскадов: Рыбинское (высота напора 18 м), Куйбышевское (29 м), Волгоградское (27 м), Каневское (15 м), Каховское (16 м). К приморским водохранилищам относятся, например, опреснённая водами Дуная лагуна Сасык на западном побережье Чёрного моря на Украине, водохранилище Эйсселмер в Нидерландах, образованное в результате отчленения дамбой от Северного моря залива Зейдер-Зе и его опреснения водами Рейна.
По месту в речном бассейне водохранилища могут быть подразделены на верховые и низовые. Система водохранилищ на реке называется каскадом.
По степени регулирования речного стока водохранилища могут быть многолетнего, сезонного, недельного и суточного регулирования. Характер регулирования стока определяется назначением водохранилища и соотношением полезного объёма водохранилища и величины стока воды реки .
Основные характеристики водохранилищ
Для описания водохранилищ применимы те же показатели, что и для озёр. Из морфометрических характеристик водохранилища наиболее важны площадь его поверхности и объём вод. Форма водохранилища определяется характером заполненного водой понижения земной поверхности. Котловинные водохранилища обычно имеют озеровидную форму, долинные – вытянутую. Многие долинные водохранилища расширяются по направлению к плотине, имеют изрезанные берега и многочисленные заливы (затопленные устья притоков).
Любое водохранилище рассчитывается на накопление некоторого объёма воды в период наполнения и на сброс этого же объёма в период его сработки. Накопление нужного объёма воды сопровождается повышением уровня до некоторой оптимальной величины. Такой уровень обычно достигается к концу периода наполнения, может поддерживаться плотиной в течение длительного времени и называется нормальным подпорным уровнем (НПУ). В редких случаях, во время высокого половодья или крупных паводков , допускается временное превышение НПУ на 0,5–1 м. Такой уровень называют форсированным подпорным уровнем (ФПУ). Предельно возможным снижением уровня воды в водохранилище является достижение уровня мёртвого объёма (УМО), сработка объёма воды ниже которого технически вообще невозможна.
Объём водохранилища, находящийся ниже УМО, называется мёртвым объёмом (МО). Для регулирования стока и периодической сработки используется объём водохранилища, находящийся между УМО и НПУ. Этот объём называют полезным объёмом (ПО) водохранилища. Сумма полезного и мёртвого объёмов дает полный объём, или ёмкость водохранилища. Объём воды, заключённый между НПУ и ФПУ, называют резервным объёмом.
В пределах запрудного долинного водохранилища выделяют несколько зон: зону переменного подпора, верхнюю, среднюю и нижнюю.
Влияние водохранилищ на режим рек и окружающую среду
Главное воздействие водохранилищ на реки – это регулирование стока. Оно в большинстве случаев проявляется ниже по течению в уменьшении стока воды в половодье (его «срезка») и увеличении стока в маловодный период года (в межень). Сезонное регулирование стока водохранилищами ведёт к сглаживанию колебаний уровней воды ниже водохранилища в течение года.
Ниже водохранилищ полностью преображается водный режим рек, изменяются характер заливания поймы, русловые процессы, режим устьев рек и т. д. В областях недостаточного увлажнения воздействие водохранилищ приводит к высыханию речных пойм и дельт , что может нанести серьёзный ущерб хозяйству. Осушение пойм в зоне избыточного увлажнения – наоборот, явление положительное, способствующее их хозяйственному освоению.
Так же, как и озёра, водохранилища замедляют водообмен в гидрографической сети речных бассейнов . Сооружение водохранилищ привело к увеличению объёма вод суши приблизительно на 6,6 тыс. км 3 и замедлению водообмена приблизительно в 4–5 раз. Наиболее сильно замедлился водообмен в речных системах Азии (в 14 раз) и Европы (в 7 раз). Для рек бывшего СССР водохранилища увеличили среднее время пребывания вод в речных системах с 22 до 89 суток, т. е. в 4 раза. После сооружения каскада водохранилищ водообмен в бассейнах рек Волги и Днепра замедлился в 7–11 раз.
Сооружение водохранилищ всегда ведёт к уменьшению как стока воды вследствие возрастания водозабора на хозяйственные нужды и дополнительных потерь на испарение с поверхности водоёма, так и стока наносов, биогенных и органических веществ вследствие их накопления в водоёме.
В результате сооружения водохранилищ возрастает поверхность, покрытая водой; поскольку испарение с водной поверхности всегда больше, чем с поверхности суши, потери на испарение также возрастают.
В условиях избыточного увлажнения (например, в тундре) испарение с водной поверхности ненамного превышает испарение с поверхности суши. Поэтому при избыточном увлажнении сооружение водохранилищ практически не сказывается на уменьшении водного стока рек. В условиях недостаточного увлажнения (например, в зоне степей), а в особенности в условиях засушливого климата (в пустынях и полупустынях), сооружение водохранилищ приводит к существенным потерям водного стока рек на дополнительное испарение.
Степень уменьшения речного стока в результате сооружения водохранилищ возрастает по территории Европейской части России с севера на юг.
Во всех водохранилищах мира в конце ХХ в. терялись на испарение 120 км 3 воды в год, т.е. около 3% стока всех рек мира. Наибольшие потери речного стока свойственны водохранилищам Насер (8,3 км 3 /год) и Вольта (4,6 км 3 /год).
В то же время, водохранилища служат мощными поглотителями биогенных и загрязняющих веществ благодаря процессам их разложения и осаждения. Однако это положительное воздействие водохранилищ на качество воды может произойти лишь при правильном режиме эксплуатации водохранилища, при условии ограничения антропогенной нагрузки на качество воды и проведении природоохранных мероприятий на водосборе водоёма. В некоторых случаях требуется и реконструкция самого водохранилища.
В результате сооружения водохранилищ и отложения в них речных наносов существенно уменьшается их сток. Водохранилища действуют как «ловушки» для переносимых реками наносов. Отложение в водохранилищах мелких (взвешенных) наносов называют заилением водохранилища, отложение крупных (влекомых) наносов – его занесением. По некоторым современным оценкам, в ХХ в. сток наносов всех рек мира под влиянием водохранилищ уменьшился на 25%.
После сооружения водохранилищ сток наносов в устьях рек Волги, Риони, Дуная, Куры и Миссисипи сократился приблизительно в 2 раза, в устьях рек Сулака , Тибра и Нила – в 8–10 раз, в устье Эбро – в 250 раз (!). В последнем случае столь значительное уменьшение стока наносов объясняется близостью крупных водохранилищ к устью реки.
Уменьшение стока наносов рек вследствие их отложения в водохранилищах может вызвать нарушение баланса наносов в устьях рек и стимулировать частичное волновое разрушение дельты и соседних морских берегов, как это уже произошло в 1970-х гг. в устье Нила после возведения Высотной Асуанской плотины и создания водохранилища Насер, а также в устье Сулака после сооружения Чиркейского водохранилища в 1974 г. и в устье Эбро после строительства водохранилищ Мекиненса и Рибарроха в 1964 и 1969 гг. соответственно.
Заметное влияние водохранилища оказывают на термический и ледовый режим рек. Наиболее характерно выравнивающее воздействие водохранилищ на температуру воды в реке. Так, на Енисее ниже Красноярского водохранилища температура воды стала в мае–июне на 7–9°С и в июле–августе на 8–10°С ниже, а в сентябре на 8° и в октябре на 9°С выше, чем до зарегулирования реки.
Водохранилища оказывают заметное воздействие на природные условия сопредельных территорий. Сооружение крупных водохранилищ приводит к затоплению земель, повышению уровня грунтовых вод , способствующих подтоплению и заболачиванию территорий. Потеря земель при затоплении – наиболее существенное негативное последствие сооружения водохранилищ. По некоторым оценкам, суммарная площадь такого затопления в мире равна приблизительно 240 тыс. км 2 , что составляет 0,3% земельных ресурсов суши. Площади затопления на территории бывшего СССР составили порядка 80 тыс. км 2 . В результате сооружения водохранилищ озёрность территории России возросла до 4%.
Очевидно, что период строительства крупных водохранилищ, приводящих к большим затоплениям земель, окончился. В последнее время отдаётся явное предпочтение сооружению небольших водохранилищ, в частности, в горных и предгорных районах.
Водохранилища ведут к изменению микроклиматических условий (выравниванию внутригодовых колебаний температуры воздуха, усилению ветра, некоторому увеличению влажности воздуха и атмосферных осадков), волновому размыву берегов.
После сооружения водохранилища изменяется почвенно-растительный покров на затопленных и подтопленных землях. Полагают, что влияние водохранилищ распространяется на сопредельную территорию, приблизительно равную по площади самому водохранилищу. Кроме того, в результате сооружения водохранилищ часто ухудшаются условия прохода на нерест многих пород рыб; нередко ухудшается качество воды вследствие возникновения в некоторые периоды года дефицита кислорода в придонных слоях, накопления солей и биогенных веществ, цветения воды . Считают также, что сооружение водохранилищ может привести к увеличению сейсмичности в горных районах (дополнительный вес накопленных в водохранилище вод усиливает внутреннее напряжение в горных породах, нарушает их устойчивость и приводит к землетрясениям).
Таким образом, водохранилища оказывают довольно сложное и противоречивое воздействие и на режим рек, и на природные условия сопредельных территорий. Давая несомненный положительный экономический эффект, водохранилища нередко вызывают и весьма негативные экологические последствия. Всё это требует, чтобы при проектировании водохранилищ более внимательно учитывался весь комплекс гидрологических, физико-географических, социально-экономических и экологических аспектов. Возникает необходимость в экологическом прогнозе, который невозможен без помощи гидрологии .
Важное значение при этом имеют мероприятия, осуществляемые в процессе создания и эксплуатации водохранилища с целью предотвращения нежелательных последствий и максимального использования положительного эффекта от создания водохранилища. К таким мероприятиям относятся: инженерная защита от затопления территорий и объектов (населённых пунктов, сельскохозяйственных угодий, предприятий, мостов и т. д.); переселение жителей, перенос предприятий, дорог и т. д., очистка ложа водохранилища от леса и кустарников, создание водоохранных зон; восстановление лесных, рыбных, охотничьих и других ресурсов; транспортное, рыбохозяйственное, рекреационное и другое освоение водоёма, инженерное обустройство акватории и береговой зоны водохранилища и т. д.
В.Н. Михайлов, М.В. Михайлова
Водохранилища, их классификация и характеристики
Общие сведения о регулировании стока. Виды и типы
Регулирования
Сток воды в реках в естественном состоянии является чрезвычайно изменчивым в зависимости от многих факторов, в первую очередь – от характера питания. На некоторых реках с преимущественно снеговым питанием максимальный расход воды в десятки и сотни раз больше минимального расхода. Во время паводка наблюдается большое увеличение расхода воды, повышение уровня и значительное увеличение глубин, которые полностью не используются для судоходства. В период небольших расходов и низкого стояния уровней глубины резко уменьшаются, особенно на перекатах, что ограничивает пропускную способность рек при осуществлении перевозок грузов и пассажиров.
Регулирование стока рек призвано изменить во времени естественный режим речного стока, уменьшить колебания стока воды, сделать водные пути более глубоководными на протяжении всего навигационного периода и существенно улучшить использование водных ресурсов для различных отраслей хозяйства: энергетики, судоходства, лесосплава, водоснабжения и сельского хозяйства. Кроме того, при регулировании стока решается задача предотвращения наводнений, защиты сельскохозяйственных угодий и строений.
Для регулирования стока на реке возводится узел гидротехнических сооружений (гидроузел), в состав которого (кроме прочих сооружений) входят одна или несколько плотин. Выше гидроузла уровни воды повышаются, образуется водохранилище, которое позволяет аккумулировать «излишки» воды во время прохождения больших расходов (в период снеговых и дождевых паводков). В меженный период на участок реки ниже гидроузла подается дополнительный расход воды по сравнению с его естественными значениями (производятся попуски воды из водохранилища), уровни воды и глубины при этом повышаются. Таким образом, происходит выравнивание неравномерности распределения расхода воды по времени.
Для каждого водохранилища путем выполнения водохозяйственных расчетов устанавливаются следующие характерные уровни воды, имеющие постоянные высотные отметки:
ФПУ – форсированный подпорный уровень;
НПУ – нормальный подпорный уровень;
УНС – уровень навигационной сработки;
УМО – уровень мертвого объема.
Форсированный подпорный уровень (ФПУ) – это уровень воды выше нормального, временно допускаемый в водохранилище при чрезвычайных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений (например, во время прохождения особо высокого паводка).
Нормальный подпорный уровень (НПУ) – это наивысший проектный уровень воды, который поддерживается в водохранилище при нормальных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений (до этого уровня водохранилище может наполняться во время обычного паводка).
Уровень навигационной сработки (УНС) – это наинизший уровень воды, допускаемый в водохранилище в период навигации, при этом учитывается необходимость поддержания судоходных глубин.
Уровень мертвого объема (УМО) – это наинизший уровень воды, до которого допускается опорожнение (сработка) водохранилища.
Разница объемов водохранилища при НПУ и УНС называется полезным объемом.
Объем водохранилища при УМО называется мертвым объемом. Величину мертвого объема водохранилища выбирают так, чтобы имелся минимальный напор воды, обеспечивающий нормальную работу турбин гидроэлектростанции. На реках, несущих большое количество наносов, при выборе величины мертвого объема учитывается время заполнения его наносами в процессе эксплуатации. Кроме того, при выборе УМО учитывается необходимость обеспечения надежной работы водоприемников, обеспечивающих подачу воды предприятиям, населенным пунктам и на сельскохозяйственные угодья.
Требования, предъявляемые к регулированию стока потребителями, являются различными и иногда противоречивыми. Например, для целей водного транспорта наибольшие расходы воды требуются летом, когда наблюдается минимальный естественный сток воды в реках, чтобы существенно увеличить глубины для обеспечения безопасного движения судов большой грузоподъемности. Для энергетики наибольшие расходы воды нужны в осенне-зимний период, когда существенно увеличивается потребность в выработке электрической энергии для промышленных пунктов. Кроме того, интересы энергетики требуют неравномерного расходования воды в течение суток и по дням недели из-за неравномерного потребления энергии, а для водного транспорта желательно иметь постоянные расходы воды и глубины, чтобы не было затруднений для движения судов.
Сельское хозяйство нуждается в резком увеличении расходов воды, в основном, в течение короткого вегетационного периода для орошения полей и полива растений.
Поэтому при проектировании мероприятия по регулированию речного стока необходимо учитывать интересы всех отраслей хозяйства, чтобы получить наибольший экономический эффект от использования водных ресурсов.
В зависимости от продолжительности периода перераспределения стока и от режима работы водохранилища различают следующие виды регулирования речного стока: многолетнее, годичное (сезонное), недельное и суточное.
Многолетнее регулирование предусматривает выравнивание стока на протяжении нескольких лет. При этом в многоводные годы происходит наполнение водохранилищ, а в маловодные годы, в основном, созданные запасы воды расходуются. Таким образом, многолетнее регулирование выравнивает не только внутригодовые, но и многолетние колебания стока. Такой вид регулирования стока способствует стабильности и увеличению габаритов водного пути с большой обеспеченностью.
Для осуществления многолетнего регулирования стока создаются крупные водохранилища, позволяющие аккумулировать большие объемы воды. К таким водохранилищам относятся: Верхне-Свирское на р. Свирь, Рыбинское на р. Волга, Цимлянское на р. Дон, Братское на р. Ангара, Красноярское на р. Енисей и др.
Наиболее простым является годичное регулирование, при котором обеспечивается выравнивание стока только в пределах года. При этом водохранилище наполняется в период паводка, а в течение остального длительного периода, когда естественный сток воды резко уменьшается, происходит расходование воды из водохранилища. Полное опорожнение полезного объема воды водохранилища производится к началу следующего паводка. Для обеспечения такого регулирования стока требуется создание меньших по объему водохранилищ, чем при многолетнем регулировании. Годичное регулирование стока также улучшает условия судоходства, но с меньшей обеспеченностью габаритов водного пути. Разновидностью годичного регулирования является сезонное регулирование стока, при котором сработка водохранилища для повышения уровней воды и увеличения глубин ниже гидроузла производится только во время наиболее затруднительного для судоходства меженного периода.
Необходимость суточного и недельного регулирования стока объясняется неравномерностью потребления электрической энергии промышленными предприятиями и населенными пунктами. Суточное регулирование обуславливается неравномерностью потребления энергии в течение суток. Обычно наибольшее потребление энергии, вырабатываемой гидроэлектростанциями, происходит в дневные часы, когда работают промышленные предприятия и особенно в вечерние часы, когда работают предприятия и включается осветительная сеть населенных пунктов. Наименьшее потребление – ночью, так как в это время большинство предприятий не работает и отключается освещение. Поэтому для обеспечения такой неравномерности потребления электрической энергии работает соответствующее количество турбин гидроэлектростанции, и, следовательно, происходит неравномерное расходование воды из водохранилища.
Недельное регулирование стока обусловливается неравномерностью потребления электрической энергии в течение недели. В субботу и в воскресенье, когда многие предприятия не работают, потребление энергии существенно меньше, чем в рабочие дни недели.
При суточном и недельном регулировании стока в результате частых изменений расходов происходят колебания уровней воды на участке реки ниже водохранилища, которые прослеживаются на протяжении нескольких десятков километров. Таким образом, суточное и недельное регулирование стока являются характерной особенностью энергетического использования стока, и отличается от остальных видов регулирования. В этом случае происходит не выравнивание стока, а наоборот, повышение неравномерности его распределения во времени.
Такое регулирование стока создает затруднения для судоходства, так как при снижении уровней уменьшаются глубины, усложняется устройство и оборудование причалов и иногда нарушается график движения судов.
Для обеспечения суточного и недельного регулирования стока не требуется увеличение емкости водохранилища многолетнего или годичного регулирования.
По методу расходования (отдачи) воды из водохранилища различают два типа регулирования: с постоянной и переменной отдачей воды . На рис. 9.1 показаны несколько случаев запроектированного графика отдачи годичного регулирования: равномерный на протяжении всего года (рис. 9.1, а); равномерный с двумя ступенями в течение навигационного и зимнего периода (рис. 9.1, б); ступенчатый с максимумом расхода отдачи в летний (меженный) период (рис. 9.1, в).
Последний случай ступенчатого графика отдачи является типичным для компенсирующего транспортно-энергетического регулирования. При этом в межень, когда имеются минимальные бытовые расходы воды, отдача из водохранилища наибольшая. В зимний период из водохранилища подается лишь гарантированный расход турбины гидроэлектростанции, которая вырабатывает электрическую энергию. В период паводка зарегулированная отдача увеличивается только для покрытия потерь воды на испарение.
Во всех случаях площадь бытового гидрографа w 1 , расположенная выше графика отдачи, представляет собой объем водохранилища V B , а площадь w 2 , расположенная ниже графика отдачи, но выше бытового гидрографа – объем отдачи для обеспечения зарегулированных расходов воды Q З . Для того, чтобы такая отдача была возможна, необходимо соблюдение неравенства w 1 ³ w 2 , т.е. чтобы дефицит стока в летне-зимний период не превосходил избытка стока за период весеннего паводка.
Водохранилища, их классификация и характеристики
По гидрографическому признаку различают три типа водохранилищ: русловые , озерные и смешанные .
Водохранилище, которое образуется в результате преграждения течения реки плотиной и затопления речной долины, называется русловым (рис. 9.2, а). Такие водохранилища обычно имеют большую длину и площадь водного зеркала. Для создания в них больших запасов воды необходимо значительное повышение уровня воды.
Озерное водохранилище образуется в результате преграждения плотиной истока реки, вытекающей из озера (рис. 9.2, б). Вода при этом заполняет озерную чашу. В таких водохранилищах с большой площадью водного зеркала могут создаваться значительные запасы воды при сравнительно небольших повышениях уровня озера.
При возведении плотины несколько ниже истока реки, вытекающей из озера, образуется смешанное водохранилище, которое включает емкости чаши озера и прилегающей к нему долины реки (рис. 9.2, в).
Основными характеристиками любого водохранилища являются его емкость V
и площадь водного зеркала F
. При этом площадь водного зеркала водохранилища определяют планиметрированием горизонталей по топографическим картам на соответствующей отметке берегового откоса. Объем водохранилища вычисляется путем последовательного суммирования произведений средних площадей водного зеркала F i
на приращение высоты уровня воды DZ
Характеристики водохранилища приводятся либо в табличной форме при четырех характерных уровнях воды (ФПУ – форсированный подпорный уровень, НПУ – нормальный подпорный уровень, УНС – уровень навигационной сработки и УМО – уровень мертвого объема), либо в виде кривых зависимости емкости V и площади водного зеркала F от изменения уровня воды в водохранилище (рис. 9.3). На кривые V и F =¦(Z) наносятся расчетные отметки ФПУ, НПУ, УНС и УМО.
Для нижнего бьефа водохранилища основной характеристикой является кривая связи между уровнями и расходами воды. Она строится по данным гидрометрических измерений за многолетний период, предшествующий возведению плотины, а затем корректируется, так как происходит размыв дна реки на участке ниже створа плотины.
При эксплуатации водохранилища, кроме полезного объема, используемого для народнохозяйственных целей, имеются бесполезные потери воды на испарение с водной поверхности водохранилища и на фильтрацию в грунт дна и берегов.
Потери на испарение возникают в результате затопления большой площади долины реки. Величина этих потерь P н определяется разницей между количеством воды, поступающей в атмосферу с водной поверхности водохранилища Z в и объемом воды, который раньше (до затопления) поступал в атмосферу с площади суши, занятой водохранилищем Z с
где: X – количество осадков, выпадающих на занимаемую водохранилищем площадь;
Y – сток воды с указанной площади.
Для определения Z в пользуются картой изолиний среднего многолетнего слоя испарения с водной поверхности, составленной по данным многолетних наблюдений на территории расположения водохранилища.
Непосредственный подсчет величины Z с затруднителен из-за большого разнообразия природной среды (района постройки водохранилища, рельефа местности, растительности и др.). Поэтому эта величина определяется косвенно, как разница между осадками и стоком воды.
Потери воды на испарение в Северо-Западной зоне обычно составляют 1-2 мм в год. В южных районах с засушливым климатом они существенно больше до 0,5-1,0 м и более в год, что учитывается при определении полезного объема водохранилища.
Потери воды из водохранилища на фильтрацию происходят через поры породы, слагающей чашу водохранилища, в соседние бассейны, а также через тело и различные устройства самой плотины в нижний бьеф реки. При этом последний вид потерь на фильтрацию является сравнительно малой величиной и обычно в водохозяйственных расчетах не учитывается.
Потери воды на фильтрацию через дно и берега водохранилища зависят от напора воды, создаваемого плотиной и гидрогеологических условий (пород, слагающих долину реки, их водопроницаемости, характера залегания, положения уровня и режима грунтовых вод).
Фильтрационные потери будут минимальными в том случае, когда ложе водохранилища сложено из практически водонепроницаемых пород (глина, плотные осадочные или массивные кристаллические породы без трещин), а уровень грунтовых вод на примыкающих к водохранилищу склонах расположен выше отметки нормального подпорного 
уровня (рис. 9.4, а).
Большие фильтрационные потери наблюдаются у водохранилищ, дно и берега которых сложены трещиноватыми песчаниками, известняками, сланцами или другими водопроницаемыми грунтами, а уровень грунтовых вод на склонах расположен ниже отметки НПУ (рис. 9.4, б).
Наиболее значительная фильтрация из водохранилищ наблюдается в первые годы их эксплуатации. Это объясняется тем, что в период заполнения водохранилища происходит насыщение водой грунта, слагающего ложе, и пополнение запасов подземных вод. С течением времени фильтрация уменьшается и через 4-5 лет стабилизируется. Фильтрация воды из водохранилища через поры породы изучена слабо из-за большого количества определяющих факторов и сложности проведения гидрогеологических исследований. Поэтому часто для оценки таких потерь опираются на опыт эксплуатации уже действующих водохранилищ.
По приближенным нормативам при средних гидрогеологических условиях слой потерь воды из водохранилища на фильтрацию может составить от 0,5 м до 1,0 м в год.
Неравномерность распределения речного стока по территории, его внутригодовая и многолетняя изменчивость затрудняют удовлетворение потребностей населения и народного хозяйства в необходимом количестве воды. Особенно остро это проявляется в маловодные годы и сезоны. Решение проблемы осуществляются за счет регулирования стока рек водохранилищами и прудами.
Водохранилище – это искусственный водоем, предназначенный для регулирования речного стока, т.е. перераспределения во времени, с целью его более эффективного использования для нужд народного хозяйства.
Крупные водохранилища имеют, как правило, комплексное (многоцелевое) назначение: гидроэнергетика, водоснабжение, водный транспорт, рекреация, защита от наводнений. Наиболее эффективное использование водных ресурсов обеспечивает каскад водохранилищ, работающих в единой системе.
Малые водохранилища и пруды используются для водообеспечения населения и отдельных отраслей промышленности или сельского хозяйства.
На земном шаре создано более 2500 крупных водохранилищ с объемом более 100 млн. км 3 каждое. Большинство из них расположено в Северной Америке (36% или около 900). В России таких водохранилищ примерно 100, самые крупные из них – Братское, Красноярское, Зейское.
Система водохранилищ на реке называется каскадом.
Водохранилища могут быть подразделены на типы по характеру ложа, способу его заполнения водой, географическому положению, месту в речном бассейне, характеру регулирования стока.
По строению котловины водохранилища делятся на:
· речного типа или долинные, ложем является часть речной долины. Они отличаются вытянутой формой и увеличением глубин от верхней части к плотине.
· Озерного типа или котловинные, это подпруженные, т.е. зарегулированные, озера и водохранилища, расположенные в изолированных низинах и впадинах, в отгороженных от моря заливах, лиманах, а также в искусственных выемках.
По способу заполнения водой водохранилища делят на:
· Запрудные, когда их наполняет вода водотока, на котором они расположены
· Наливные, когда вода в них подается из рядом расположенного водотока или водоема.
По географическому положению:
· Горные, сооружаемые на горных реках, обычно узкие и глубокие и имеют напор, т.е. величину повышения уровня воды в реке в результате сооружения плотины до 300 м и более
· Предгорные, имеют высоту напора 50-100 м
· Равнинные обычно широкие и мелкие, высота напора не более 30 м.
По характеру регулирования стока:
· Многолетнего регулирования (перераспределение стока между мало- и многоводными годами)
· Сезонного (перераспределение стока внутри года между мало- и многоводными сезонами)
· Недельного (перераспределение стока в течение недели)
· Суточного регулирования (перераспределение стока в течение суток)
Характер регулирования стока определяется назначением водохранилища и соотношением полезного объема водохранилища и величины стока воды реки.
Формы и размеры водохранилищ характеризуются теми же морфометрическими характеристиками, что и озера. Они также зависят от степени наполнения водоема и «привязываются» к определенному значению уровня воды, но, в отличие от озер, уровень воды в водохранилище регулируется и ход уровня определяется характером регулирования.
При проектировании водохранилищ для каждого из них устанавливаются (задаются) уровни, соответствующие определенным фазам гидрологического режима, так называемые проектные уровни.
· Нормальный подпорный уровень НПУ, уровень который достигается к концу периода наполнения в средний по водности год и может поддерживаться плотиной длительное время
· Форсированный подпорный уровень ФПУ, который возникает в редких случаях, например, во время высокого половодья или паводков, удерживается в течение короткого времени, превышает НПУ на 0,5-1 м
· Уровень сработки. К уровням сработки относятся: уровень ежедневной (диспетчерской) сработки, которая достигается при нормальной эксплуатации водохранилища; уровень наибольшей сработки, который достигается только в маловодные годы
· Уровень мертвого объема УМО, предельно возможное снижение уровня воды в водохранилище, сработка ниже которого невозможна. Объем водохранилища, находящийся ниже УМО, называется мертвым объемом .
Объем, находящийся между УМО и НПУ, называют полезным объемом водохранилища ПО.
Сумма полезного и мертвого объемов дают полный объем или емкость водохранилища.
Объем, заключенный между НПУ и ФПУ, называют резервным объемом .
По морфометрическим особенностям котловины выделяют характерные участки:
ü Нижний – приплотинный (всегда глубоководный);
ü Средний – промежуточный (глубоководен только при высоких уровнях);
ü Верхний – мелководный (расположенный в пределах затопленного русла и поймы);
ü Участок выклинивания подпора.
Границы условны и зависят от амплитуды колебаний уровня
