Водохозяйственные разновидности водохранилищ

Каждое водохранилище создастся при возникновении острого дефицита водных ресурсов в народном хозяйстве, недостаток которых начинает тормозить его дальнейшее развитие в регионе.

По назначению водохранилища делят на целевые, создаваемые для одной из отраслей водного хозяйства, и комплексные, если водохранилище планируется использовать несколькими его отраслями.

Водоёмы целевого назначения: гидроэнергетические водохранилища. Быстрый рост числа крупных водохранилищ во всем мире в середине XX века был вызван бурным развитием гидроэлектроэнергетики.

Общепризнанно, что выработка электроэнергии на ГЭС, в отличие от тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электростанций, — безотходное, экологически чистое производство, не сопровождающееся выбросами тепловой энергии и загрязняющих веществ в окружающую среду. Вторая, также очень важная эколого-экономическая особенность гидроэнергетики, — в том, что она использует постоянно возобновляющиеся в природе и нагому неисчерпаемые водные ресурсы. Третья ее особенность социально значима. Этоболее благоприятные и безопасные для здоровья условия труда обслуживающего персонала ГЭС в сравнении с ТЭС и АЭС. Она очевидна, учитывая тяжелые и опасные условия труда многократно большего числа людей, обслуживающих не только теплотворные установки, но и ведущих добычу топлива (нефти и газа, угля и торфа, урановой руды) и обеспечивающих транспортировку топлива к ТЭС и АЭС и удаление отходов. В отличие от АЭС, срок службы которых иол века, ГЭС при своевременном ремонте сооружений гидроузла и энергетического оборудования может работать тысячелетиями, в течение которых будет происходить заиление водохранилища с постепенным уменьшением его регулирующей способности.

Эго повлечет лишь увеличение холостых сбросов воды и соответствующее снижение ежегодной выработки электроэнергии. В энергосистемах ГЭС играют роль регуляторов периодических внутрисуточных и случайных (аварийных) колебаний нагрузки и частоты в электросетях, служат оперативным резервом мощности. Это повышает качество электроснабжения потребителей, способствует равномерности работы ТЭС и АЭС в объединенной энергосистеме и предотвращает многочисленные аварии в промышленности, на транспорте, в водопроводно-канализационном хозяйстве, причиной которых могли бы стать перебои в подаче электроэнергии.

Вклад гидроэнергетики в энергетический баланс России — не более 15−17%, хотя речная сеть обладает громадным экономически доступным гидроэнергопотенциалом (более 800 млрд. кВт-ч.). Этот потенциал сосредоточен в основном в Сибири (46%) и на Дальнем Востоке (32%), поэтому он пока используется всего на 20%.

В России в соответствии с планом электрофикации страны (ГОЭЛРО) в 1920;1930 гг. в первую очередь стали осваиваться гидроэнергетические ресурсы озёр и зарегулированных ими рек Карелии и Кольского полуострова. В это десятилетие там создано 19 водохранилищ: Сандальское при Кондопожской ГЭС, Имандровскос и Пинозсрскос для каскада ГЭС на р. Ниве и др., состоялось перекрытие первой крупной реки — Волхова и в 1926 г. введён в строй Волховский гидроузел с ГЭС мощностью 66 МВт. К настоящему времени значительно более мощными ГЭС оснащены свыше 35 гидроузлов водохранилищ, преимущественно — гидроэнергетического назначения (СаяноШушенская — 6400 МВт. Красноярская — 6000 МВт и др.).

В составе ещё примерно 50 гидроузлов имеются ГЭС мощностью менее 50 МВт. Они лишь используют расход воды, сбрасываемой через гидроузел в соответствии с требованиями других отраслей водного хозяйства, и не оказывают влияния на водный режим его верхнего и нижнего бьефов. Вырабатываемая такими ГЭС электроэнергия идет на обеспечение работы различных механизмов гидроузла и пополнение энсргоресурсов в местных электросетях. К числу самых малых гидроэнергетических водохранилищ относится первое в России морское водохранилище — Кислогубское" (площадь — 1,1 км^[1][2], длина — 3,2 км и глубина — до 35 м), сооруженное в губе Кислая на побережье Баренцева моря для экспериментальной приливной электростанции (ПЭС). Кислогубская ПЭС мощностью 0,4 МВт строилась в 1964;1969 гг. и в 1988 г. при ее работе в проектном режиме выработка электроэнергии достигла 1 млн. кВт ч — величины, сопоставимой с выработкой Нижегородской ГЭС на Горьковском водохранилище. Таким же целевым водохранилищем служит и верхний бассейн (F = 2,6 км²) очень мощной Загорской ГАЭС (с напором около 100 м) в Подмосковье (1200 МВт, выработка электроэнергии — почти 2000 млн. кВт-ч., как ГЭС на каждом гидроузле Камского каскада)¹, хотя емкость бассейна ГАЭС Wn = 22 млн. м³ такая же, что и Кислогубского водохранилища. Строится вторая очередь этой ГАЭС;

— водоснабженческие водохранилища. Для водообеспечения крупнейших городов мира, городских агломераций с числом жителей свыше 1 млн. и крупных промышленных центров с водоёмкими производствами, как правило, требуются поверхностные водоисточники из-за медленного возобновления подземных водных ресурсов. Поэтому, если перечисленные водопотребители не находятся на побережье крупных озёр или озёрных рек, их централизованное водоснабжение осуществляется из водохранилищ и зарегулированных ими рек.

Большинство крупных гидроэнергетических водохранилищ становится нередко источниками водоснабжения быстро растущих городов с водоемкими производствами, таких, например, как Череповец, Братск, Тольятти, Набережные Челны. Для водообеспечния работы крупнейших ТЭС и АЭС строят целевые водохранилища (водоемы-охладители Чернобыльской и Курской АЭС, Белоярское — на р. Пышма для Белоярской АЭС под Екатеринбургом, водохранилище Смоленской АЭС на р. Десне в бассейне Днепра). Либо такие теплоэнергетические объекты размещают на берегу уже существующих водохранилищ: Конаковская ГРЭС — на Иваньковском, Костромская ГРЭС — на Горьковском, Балаковская АЭС — на Саратовском, Ростовская АЭС — на Цимлянском, Кольская АЭС — на Имандровском водохранилищах;

— транспортные водохранилища. Первые водохранилища такого целевого назначения стали строить для повышения уровня воды в судоходных реках в навигационный период путем попусков воды через водосливы плотин. В России это — Вышневолоцкое, Верхневолжское (1848 г.), Сенежское (1852 г.). Большинство водо;

Вечный двигатель. Волжско-Камский гидроэнергетический каскад: вчера, сегодня, завтра. — М.: Фонд Юбилейная летопись, 2007. — 352 с.

хранилищ транспортного назначения служит, как и соединяющие их каналы, составными элементами водной магистрали.

Выгозсрскос и Ондское водохранилища — в составе судоходного Беломоро-Балтийского канала; Химкинское, Клязьминское, Пяловское, Пестовское и Икшинское — на канале имени Москвы; Рыбинское, Шексниское, Белоусовское и Вытегорское на Волго-Балтийском; Варваровское, Береславскос, Карповскос и Цимлянское — на Волго-Донском каналах.

Водохранилища строят в качестве водораздельных бьефов водохранилище Гатун на р. Чогрес в составе Панамского канала между шлюзами к побережью Атлантического и Тихого океанов, сооружают для накопления резерва водных ресурсов, необходимого при обеспечении гарантированных глубин на судовом ходу, — например, Ковжское водохранилище для подпитки оз. Белое на Волго-Балтийском водного пути.

К этой же категории техногенных водоемов относятся и малые русловые водохранилища (Перервинское в Москве), а также периодически (на время навигации) подпертые участки шлюзованных рек.

Например, в нижнем течении р. Москва — у разборных плотин им. 'Грудкоммуны, Андреевской, Софьинской, Фаустовской и Северской, а также на участках р. Ока между устьем р. Москва и г. Рязань у Кузьминского и Бслоомутского шлюзов;

• — ирригационные водохранилища — важнейший компонент крупных оросительных систем в засушливых регионах мира. К числу наиболее крупных из них относятся Краснодарское на р. Кубань, Кайраккумское и Чардаринское — на р. Сырдарья. Особенно их много в Индии, в центральном и южном Китае, в бассейне р. Муррей в Австралии — от водоёмов крупного размера до малых водохранилищ и прудов;
• — противопаводковые водохранилища сооружаются на реках с особенно многоводными и трудно предсказуемыми дождевыми паводками. В России преимущественно противопаводковыми служат крупнейшие Зейское и Бурейскос водохранилища в бассейне Амура, предназначенные, в первую очередь, для уменьшения высоты и частоты наводнений в среднем и нижнем течении этой многоводной реки. Очень много таких водохранилищ — в США и Японии;

рыбоводно-рекреационные водохранилища и пруды, как правило, небольшого размера сооружаются преимущественно вблизи крупных городов и служат источником свежей, наиболее ценной в пищевом отношении рыбы для их населения и местом его массового отдыха, так называемого «отдыха выходного дня».

Деление водохранилищ на целевые и комплексные в большой мере условно. Водоём, спроектированный по заказу одного водопотребителя и эксплуатируемый им, рано или поздно становится фактически водохранилищем комплексного использования. Даже водохранилище-охладитель Курской АЭС в пойме р. Сейм используется как рыбоводно-рекреационный водоем. Поэтому исключительно целевые водохранилища единичны — например, Учинское и Рублевское водохранилища — особо охраняемые водозаборные бьефы Московского водопроводного хозяйства.

Независимо от первоначального (проектного) назначения и ведомственной принадлежности природно-техногенные водоёмы, с позиций гидроэкологии, следует делить на три категории (Эдельштейн, 1998):

— водоёмы повышенного качества воды, к которым относятся источники коммунального (питьевого) и технического (промышленного) водоснабжения, а также водоёмы рекреационного назначения, к качеству воды которых предъявляются наибольшие требования. Поэтому при эксплуатации этих водоёмов возникает экологическая проблема ограничения их биологической продуктивности в случае антропогенного эвтрофирования. Иными словами, в этих водохранилищах и прудах требуется интенсификация природных процессов самоочищения воды для увеличения её прозрачности, улучшения вкусовых качеств, снижения биомассы микроскопических водорослей фитопланктона и водных организмов-обрастателей (перифитона), которые создают биологические помехи при очистке воды на водопроводных станциях и в системах технического водоснабжения. Это — водоёмы, в которых желательна олиготрофикация. К этой же категории относятся и все гидроэнергетические водохранилища, поскольку они, даже созданные в незаселенных районах, становятся источниками водоснабжения сначала поселка гидростроителей, который затем превращается в город, а также потому, что и сама ГЭС нуждается в чистой воде — охладителе гидроагрегатов;

водоемы повышенной биологической продуктивности, используемые только в рыбном и сельском хозяйстве, эвтрофирование которых, вызываемое обогащением воды растворенными и взвешенными органическими и биогенными минеральными веществами, не только не вредно, а желательно для повышения рыбопродуктивности преимущественно прудов или плодородия орошаемых их водами земель;

— водоёмы, качество воды в которых незначимо для основных водопользователей. Это — водохранилища сугубо транспортного назначения, противопаводковые водохранилища, водоёмы, сооружённые для приема и разбавления сточных вод, для межбассейновой переброски стока, для обводнения малых лесосплавных рек.

В отличие от озёр, экологическое состояние прудов и водохранилищ зависит не только от географического положения водоёма, но от места водоёма в реконструируемой гидрографической сети. В зависимости от водохозяйственных задач регулирования речного стока, требующейся для этого полезной ёмкости, размера и рельефа речной долины, инженерно-геологических особенностей сё строения, размещения в ней населённых пунктов и хозяйственного использования земель, в гидротехническом проекте разрабатываются различные варианты размещения в гидрографической сети региона одного или нескольких гидроузлов, образующих единую водохозяйственную систему. Из этих вариантов выбирается для реализации проект, обеспечивающий наиболее надежную водоотдачу при наименьших экологических, экономических и социальных негативных последствиях создания водоёмов (принцип минимизации соответствующих ущербов при одновременном снижении стоимости и времени строительства гидротехнических сооружений и обустройства техногенных водоёмов).

Размещение водохранилищ в речной сети. В России наибольшее распространение получили показанные на рис. 1.7 схемы размещения техногенных водоёмов в пределах речной сети: чаще других — одиночное водохранилище, реже — каскад водохранилищ. Он может быть сомкнутым (рис. 1.7 Б), если верхний бьеф нижележащего гидроузла служит нижним бьефом вышележащего гидроузла, или разомкнутым, когда между верхним и нижележащим водохранилищем остается участок незатопленной долины. Сооружают и системы одиночных водохранилищ в едином водохозяйственном комплексе (рис. 1.7 В), а также гидрографически сложные каскады из нескольких ветвей, взаимосвязанных в единую водохозяйственную систему каскадов на главной реке и притоках.

Примером такой системы служит Волжско-Камский каскад, включающий водохранилища в долине Волги и в долинах ее притоков — р. Шексна и р. Кама (рис. 1.7 Г). Он включает водохранилища: Иваньковское (/), Угличское (2), Рыбинское (5), Шскснинскос (4), Горьковское (5), Чебоксарское (б), Камское (7), Воткинское (#), Нижнекамское (9), Куйбышевское (10), Саратовское (11) и Волгоградское (12).

Нередко водохранилища включаются в состав воднотранспортных путей, соединенные отрезками канала, или для межбассейновой переброски стока. Например, Волго-Донской канат (рис. 1.7 Д) включает Варваровское (/), Береславское (2), Карповское (3) и Цимлянское (4).

Рис. 1.7. Схемы размещения водохранилищ в гидрографической сети

Приток воды, растворённых и взвешенных веществ в одиночные водохранилища, в верхнее водохранилище каскада (и каждой из ветвей сложного каскада — на рис. 1.7 Г — 7, 4, 7), а также в водохранилищах 1 и 4 в составе каналов (рис. 1.7 Д) зависит от внутригодовых и многолетних колебаний стока, формирующегося на их водосборах. Приток в остальные водохранилища каскадов и каналов, как правило, определяется сбросом водных масс из расположенного выше водохранилища. Расходование воды из всех водохранилищ определяется требованиями водопотребителей и необходимостью обеспечения нормального функционирования водных экосистем в нижних бьефах гидроузлов.

Виды регулирования речного стока водохранилищами. В зависимости от специфики использования водных ресурсов отдельными отраслями водного хозяйства, а также от соотношения размеров водохранилища и величины водного стока в створе гидроузла, могут осуществляться следующие виды регулирования речного стока:

• — сезонное регулирование, при котором с помощью полезной емкости водохранилища производится внутригодовое перераспределение стока — накапливаемые в ней водные массы используются при сработке запаса воды для увеличения её расхода и уровня в русловом участке реки, расположенном ниже гидроузла. При глубоком сезонном регулировании свойственные речному водному режиму многократные пиковые колебания этих двух его характеристик сглаживаются настолько, что поток в нижнем бьефе становится подобен озёрной реке (если в составе гидроузла нет крупной ГЭС);
• — многолетнее регулирование состоит не только в сезонном регулировании стока (его межсезонном перераспределении), но и в межгодовом перераспределении стока реки. При этом накопленный запас воды в полезной ёмкости водоёма используется и для повышения руслового стока ниже гидроузла в следующий маловодный год, и даже иногда — в 2−3 последующие маловодные годы. Но для такого «сверхглубокого» регулирования нужно водохранилище с большим коэффициентом ёмкости Р = W_n/V, где W" — полезная ёмкость водохранилища и V — средний годовой сток реки в створе гидроузла (Крицкий, Менкель, 1952).

Эти два вида регулирования приводят к снижению размаха колебаний уровня и расхода воды в реке ниже гидроузла. Но при наличии в составе гидроузла крупной ГЭС ниже водохранилища гидроэнергетического назначения на фоне межгодового и внутригодового сглаживания колебаний речного стока возникают его короткопериодные колебания из-за суточного и недельного регулирования, вызванного необходимостью работы ГЭС преимущественно в часы пиковой нагрузки в энергосистемах:

— суточное регулирование состоит в резком увеличении сброса воды через гидротурбины в утренние и, особенно, в вечерние часы, и в уменьшении сброса в дневное время и ещё большее — ночью (рис. 1.8);

Рис. 1.8. Гидрограф сбросов воды Рыбинской ГЭС в Горьковское водохранилище с 26 августа (выходной день) но 29 августа 1962 г.

• — недельное регулирование возникает из-за того, что в выходные дни снижается производственное энергопотребление, и сокращается по сравнению с рабочими днями недели среднесуточный расход воды, сбрасываемой из водохранилища через водоводы ГЭС;
• — вторичное регулирование осуществляется обычно водохранилищами сравнительно небольшой полезной ёмкости с целью выравнивания неравномерности стока, вызванной суточным и недельным его регулированием вышележащим водохранилищем крупной ГЭС. Таковы, например, Майнскос водохранилище на Верхнем Енисее, расположенное в нижнем бьефе Саяно-Шушенского гидроузла, Николаевское водохранилище на р. Дон — в нижнем бьефе Цимлянского гидроузла;
• — компенсирующее регулирование — такое, при котором попусками воды из одного или одновременно из нескольких водохранилищ, расположенных на главной реке и ее притоках, увеличивают в межень сток в створе водозабора (или в водозаборном бьефе) до величины расхода воды, гарантированной водопотребителю. Такое регулирование позволяет уменьшать сброс воды из водохранилищ и накапливать в них водные ресурсы в периоды, когда возрастает её приток с неконтролируемой ими части водосбора, расположенной между гидроузлами и водозаборным бьефом.

'Гакова, например. Москворецкая система водообеспечения г. Москва, включающая Можайское, Рузское, Озернинское и Истринское водохранилища многолетнего регулирования и Рублевское, служащее водозаборным бьефом для трех водопроводных станций, подающих в столицу питьевую воду;

— непериодическое регулирование, при котором попуски воды через гидроузел назначаются в случаях необходимости создать на речном русле волну техногенного паводка для обеспечения проводки судна, плотов в маловодную межень или для разбавления сильно загрязненных сточных вод, попавших в реку при аварии на производственном предприятии.

Особенно гибким, учитывающим всю совокупность природных экологических, экономических и социальных факторов, может быть управление режимом сбросов воды из водохранилищ сложных водохозяйственных систем — каскадов или систем, объединяющих несколько одиночных водохранилищ для решения какой-либо главной водохозяйственной задачи. В таких системах особенно важна роль наиболее крупных водохранилищ — регуляторов многолетних и сезонных колебаний речного стока, обеспечивающих устойчивость работы остальных водохранилищ. Такими водоемами-регуляторами в Волжско-Камском каскаде служат Рыбинское, Камское и Куйбышевское водохранилища (рис. 1.7 Г).

Еще более крупный гидроэнергетический каскад водохранилищ в России — Ангаро-Енисейский. Его Ангарская ветвь состоит из Иркутского водохранилища с полезной ёмкостью, включающей верхний метр воды акватории Байкала, Братского, Усть-Илимского и Богучанского водохранилищ. Енисейская ветвь этого гидрографически сложного каскада включает СаяноШушенское, Майнское и Красноярское водохранилища. Кроме того, на двух притоках Нижнего Енисея работают ГЭС на гидроузлах Курейского и Хантайского водохранилищ, рассматриваются проектные варианты сооружения Эвенкийской ГЭС с водохранилищем на р. Нижняя Тунгуска. Среднее и нижнее течение р. Днепр превращено в сомкнутый Днепровский каскадКиевское, Каневскос, Кременчугское, Днепродзержинское, Днепровское (гидроузел Днепрогэс у г. Запорожье) и Каховское — головное водохранилище СевероКрымского канала. К крупнейшим гидрографически сложным гидроэнергетическим каскадам относятся 15 водохранилищ на р. Теннесси и 21 водохранилище на ее притоках, каскады на реках Миссури, Колорадо в США, на р. Колумбия в США и Канаде, на р. Парана и ее притоках в Бразилии и Уругвае.

Примерами компонентов наиболее сложных водохозяйственных систем водообеспечения крупнейших городов мира служат:

• — 8 водохранилищ, 4 озера и два канала — источники водоснабжения г. Ныо-Йорк:
• — три гидротехнические системы — Москворецкая, Волжская и объединяющая их Вазузская — источники водоснабжения г. Москва, включающие 14 водохранилищ и два канала — имени Москвы (КИМ) и Вазузско-Рузский;
• — система водоснабжения г. Екатеринбург состоит из 8 небольших водохранилищ.

• [1] Файн И. И. Современное состояние гидроэнергетики и ее роль в экономике России //Зеленый крест. — 1994. — № 2. — С. 5−8.
• [2] Марфенин Н. Н., Малютин О. И., Пантюлин А. II и др. Влияние приливных электростанций на окружающую среду. — М.: МГУ, 1995. — 125 с.