Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Оренбургский государственный университет"

(ОГУ)

Химико-биологический факультет

Кафедра общей биологии

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине "Геоэкология"

Водохранилища и их воздействие на гидросферу

ГОУ ОГУ 020208.65.5084.09 ОО

Руководитель работы: канд. биол. наук

Ю.П. Верхошенцева

Исполнитель: студент гр.10 БЭ

А.И. Макаева

Оренбург 2013

Содержание

• Введение
• 1. История строительства водохранилищ
• 2. Водохранилища как водные объекты суши
• 2.1 Водохранилища и их отличия от других типов водоемов
• 2.2 Типы водохранилищ
• 3. Размещение и размеры водохранилищ
• 4. Воздействие водохранилищ на гидросферу
• 4.1 Влияние водохранилищ на осадконакопление
• 4.2 Влияние водохранилищ на режим вод
• 4.3 Влияние водохранилищ на берега
• 4.4 Влияние водохранилищ на грунтовые воды
• 4.5 Мелководья в водохранилищах
• 5. Оптимизация природопользования при создании и эксплуатации водохранилищ
• 6. Значение водохранилищ в хозяйственной деятельности человека
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

Проблема обеспечения населения и различных отраслей хозяйства чистой пресной водой становится в наше время актуальной для все большего числа государств Земли. Это связано со многими причинами: неравномерное распределение водных ресурсов по территории стран, по годам и по времени года; несовпадение территориального распределения природных вод с плотностью населения, потребностями сельского хозяйства, размещением городов и промышленных районов; резкое увеличение расходов воды на коммунально-бытовые нужды; увеличивающееся загрязнение поверхностных и подземных вод промышленными и коммунальными сточными водами и др.

Накопление запасов воды в водохранилищах дает возможность перераспределить сток во времени и по территории страны и составляет основной способ более полного использования водных ресурсов в интересах различных отраслей народного хозяйства. Именно поэтому водохранилища необходимы для целей гидроэнергетики, для орошения и обводнения земель, для водоснабжения городов и промышленных предприятий, для водного транспорта, лесосплава, борьбы с наводнениями и для организации отдыха населения.

Удовлетворяя разнообразные требования, предъявляемые народным хозяйством к водным ресурсам, водохранилища одновременно с этим вносят в природу и хозяйство территорий, на которых они создаются, ряд побочных нежелательных изменений.

Целью данной работы является описание основных закономерностей воздействия водохранилищ на гидросферу.

В связи с поставленной целью решались следующие задачи:

1) Рассмотреть историю создания водохранилищ;

2) Выявить отличия водохранилищ от естественных водоемов и рассмотреть их классификацию;

3) Рассмотреть размещение и размеры водохранилищ;

4) Определить воздействие водохранилищ на окружающую их природу;

5) Рассмотреть оптимизацию природопользования при создании и эксплуатации водохранилищ;

6) Выявить значение водохранилищ в хозяйственной деятельности человека.

1. История строительства водохранилищ

Первые водохранилища были созданы примерно более чем за 4000 лет до н.э. Их строили для целей орошения земель и борьбы с наводнениями. Примерно за 2800 - 2500 лет до н. э. в 30 км южнее Каира была возведена плотина Садд-эль-Кафара на Вади-Гарави высотой 12 м и длиной 108 м, которая вскоре после строительства была размыта из-за отсутствия водослива.

Около 2300 г. до н.э. было создано "знаменитое и загадочное" водохранилище Мёрис (юго-западнее современного Каира), которое Геродот считал одним из чудес света.

Лишь немного позже, чем в Египте, началось создание водохранилищ на Ближнем Востоке. Около 2500 лет до н.э. на р. Тигр была построена плотина Нимруд высотой 12 м.

Плотина Карнальбо была построена на р. Альбаррегас в Испании во II в. до н.э., а образовавшееся в результате водохранилище, объемом в 10 млн.м³, существует до сих пор.

О масштабах гидротехнического строительства можно судить на примере Персии, где в VI до н.э. для ирригационных целей было создано 9 плотин на р. Джарахи, плотина Каммерд на р. Кор вблизи древнеиранскогого города Персеполя и др. Создание водохранилищ до нашей эры велось также в Восточной и Южной Азии - на территории Китая, Японии, Индии, Шри-Ланки.

Водохранилища продолжали создаваться и в первые века нашей эры, преимущественно в таких центрах цивилизации как Месопотамия, Персия, Римская империя и др. В Китае с древнейших времен строились плотины, дамбы, водоемы, каналы для орошения, внутреннего судоходства и борьбы с наводнениями [1].

В средние века (конец V - середина XVII в. н. э.) по мере развития материального производства, роста численности населения и соответственно потребности в сельскохозяйственной и промышленной продукции темпы водохозяйственного строительства, в том числе создания водохранилищ, постепенно возрастали.

Много водохранилищ создавалось в средиземноморских странах, Персии, в Южной и Восточной Азии. До сих пор эксплуатируется водохранилище Бенде-Эмир в районе г. Шираз. Оно может служить примером комплексного использования водохранилища древности, предназначавшегося для орошения, получения механической энергии (в настоящее время мельница заменена гидроэлектростанцией), судоходства и водоснабжения. Сохранилось также водохранилище Караб в Центральном Иране, хотя оно сильно заилено [2].

В Японии за период 522-1603 гг. н.э. построено примерно 30 водохранилищ с плотинами выше 15 м, а с 1603 по 1867 г. - 540. На Цейлоне в средние века построены известные и ныне плотины Паракрама (1186 г.) и Падавиль высотой до 21 м и длиной 18 км. В Индии в XI веке в Мадхья-Прадеж построена плотина Бхойпур, в Майсуре у г. Мандья - плотина Моти-Талав (ныне эксплуатируется).

В доколумбовой Америке (XV-XVI вв.) значительные гидротехнические сооружения строились ацтеками, майя, инками. Так, ацтеки построили дамбу длиной 16 км, которая разделила озеро Тескоко и образовала водохранилище Мехико. Но большинство из них были разрушены испанскими конкистадорами. Подобные сооружения, создававшиеся испанцами, по сложности и размерам уступали прежним. Но и в этот период были построены некоторые большие водохранилища - Журурия объемом 220 млн. м³ и площадью 96 км² (используется до сих пор) и Чалвири объемом 3 млн. м³, оба - для водоснабжения серебряных рудников в Потоси в Боливии.

На территории стран Европы создание водохранилищ осуществлялось в разные периоды истории. В средние века это было связано с развитием ремесел и рыбоводством. В Чешской и Словацкой республиках до настоящего времени эксплуатируются водохранилища, созданные в XIV - XVI веках: Дворжиште - 1367 год, Харузицки - 1512 год, Рожмберг - 1590 год. Здесь в XVI веке общая площадь водохранилищ и прудов составляла 1800 км². В Польше водохранилища стали сооружаться также с XVI века; до настоящего времени эксплуатируются 10 водохранилищ, созданных еще в XIV - XVIII веках. На территории Германии первые водохранилища появились в Рудных горах в районе Фрейбурга (Гроссхарменсдорф - 1524 год, Оберер Харт - 1591 год) и в Гарце (Тойфельстайх - 1696 год) [3].

Много водохранилищ было построено в эпоху промышленной революции и развития капитализма, т. е. в XVIII - XIX вв. Большую роль в этом сыграла возросшая потребность в механической энергии для прядильно-ткацких, металлообрабатывающих, лесопильных, горнорудных предприятий. Такие водохранилища в большом количестве появились в Западной Европе, Австро-Венгрии, России (Карелия, Центральный район, Урал).

В целях развития водного транспорта, которое требовало регулирования стока для увеличения меженных расходов и питания водой многочисленных каналов, водохранилища создавались в Англии, Германии, России.

Следующий этап создания водохранилищ начался на рубеже XIX и XX вв. в связи с развитием электроэнергетики. Наибольшего размаха строительство ГЭС достигло в Швейцарии, Австрии, Франции, Германии, Италии, Швеции, Норвегии, США, Японии. Все больше водохранилищ создавалось для ирригации, борьбы с наводнениями (особенно в США, Индии, некоторых европейских странах). До конца XIX и в начале XX века создавались преимущественно набольшие водохранилища [4].

Несмотря на тысячелетнюю историю строительства, водохранилища с полным основанием можно назвать порождением нашего века. Полный объем всех водохранилищ планеты, существовавших к концу XIX в., составлял всего 15 км³. Теперь же только одно Братское водохранилище на р. Ангаре имеет объем 169 км³, что в 11 с лишним раз превышает объем всех водохранилищ планеты, существовавших на рубеже двух веков [1].

Современный этап создания водохранилищ начался после II мировой войны. Регулирование стока стало проводиться в основном для решения комплексных задач: развития гидроэнергетики, водообеспечения городских агломераций, промышленных районов, крупных ирригационных систем, а также в целях создания условий для отдыха и улучшения экологического состояния крупных природных объектов и районов. В этот период водные объекты создавались практически во всех странах мира [4].

Строительство крупных и сверхкрупных гидротехнических систем, включая водохранилища, достигло пика в третьей четверти ХХ века. В настоящее время видна тенденция к его снижению. В то же время среди осуществляемых проектов - строительство крупнейшей в мире ГЭС и водохранилища в месте, называемом Три Ущелья, на р. Янцзы - цзян в Китае и оросительных систем площадью 1,7 млн га в верхней части бассейнов рек Евфрат и Тигр в Турции [5].

По данным А.Б. Авакяна массовый и повсеместный характер создание водохранилищ приобрело за последние 50 лет, когда их число возросло на земном шаре в четыре раза, а суммарный объем увеличился в десять раз, в том числе в странах Латинской Америки - в 35 раз, Африки - в 60 раз и Азии - в 90 раз. За это период были построены все самые крупные водохранилища нашей планеты [6].

2. Водохранилища как водные объекты суши

2.1 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 пространства суши путем гидротехнического строительства [4].

Гидротехническое строительство осуществляется на всех континентах планеты. Водохранилища образуются путем строительства плотин на реках или временных водотоках. 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. [7]. Водохранилищами, по мнению авторов (Авакян, Савушкин, Шарапов), следует считать искусственно созданные долинные, котловинные и естественные озерные водоемы с замедленным водообменом, полным объемом более 1 млн. м³, уровенный режим которых постоянно регулируется и контролируется гидротехническими сооружениями в целях накопления и последующего и использования запасов вод для удовлетворения хозяйственных и социальных потребностей [8].

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. Различают несколько характерных уровней, главный из них - нормальный подпорный уровень (НПУ) и уровень мертвого объема (УМО). (НПУ) - наивысший проектный уровень верхнего бьефа, выше которого подъем уровня в водохранилище, не допускается. (УМО) - минимальный уровень водохранилища при сработке его полезного объема, допустимый в условиях нормальной эксплуатации водохранилищ. Также выделяют форсированный подпорный уровень (ФПУ). Он выше (НПУ) и допустим при пропуске стоков половодий и паводков редкой повторяемости (рис.1) [9].

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

1) Водохранилища - антропогенные, управляемые человеком объекты. Основные их параметры (объём, площадь, место расположения, режим регулирования) и многие другие характеристики определяются человеком на стадии проекта; в составе гидроузлов есть специальные технические системы, сооружения и устройства (гидротурбины, водосборные отверстия с затворами), позволяющие изменять объем и уровень воды в водохранилище, 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 природно-техническими системами. Учет взаимодействия их природной и технической подсистем может существенно увеличить возможности рационального и комплексного использования водохранилищ, а игнорирование - привести к значительным потерям. Управляя технической подсистемой водохранилища, человек может вызвать развитие таких процессов и явлений в природной подсистеме, которые он не в состоянии предотвратить или их преодоление требует больших затрат материальных и трудовых ресурсов. Непосредственно и полностью человек управляет только запасами воды, а экосистемой и геосистемой водохранилища - частично и косвенно.



Рисунок 1 - Основные элементы и зоны водохранилища: 1- меженный уровень воды до подпора; 2 - половодный (паводковый) уровень до подпора; 3 - нормальный подпорный уровень (НПУ), 4 - половодный (паводковый) уровень в условиях подпора.

2) При создании водохранилищ происходят многообразные изменения природных и хозяйственных условий на территориях прилегающих к новому водоему и на удаленных от него вниз по течению. Масштабы, глубина и направленность изменений определяются размерами нового водоема и своеобразием природных условий района, в котором он находится.

3) Водохранилищам присуща особая система внутриводоемных процессов. Свойственные им гидрологические, гидрофизико-химические гидробиологические процессы не идентичны тем, которые наблюдаются в озёрах, реках и каналах. Ведущими факторами, определяющими специфику взаимосвязанных и взаимообусловленных внутриводоёмных процессов в водохранилищах, служат водообмен и уровенный режим водоема. Все эти факторы и отличают условия развития внутриводоемных процессов в водохранилищах от тех, которые характерны для рек и озер. Это проявляется в том, что в водохранилищах создаются зоны направленного движения воды к плотине, и образуются зоны водоворотных циркуляций.

Процессы трансформации вещества и энергии в водохранилищах имеют другие масштабы, направленность, длительность и интенсивность, чем в озерах и реках. Это выражается в показателях качества воды, в структуре и продуктивности водных экосистем. Водохранилища можно рассматривать как своеобразные огромные преобразователи и аккумуляторы вещества и энергии, но они не автономны, как, например, озера. Рекам, наоборот, свойственен поточный механизм преобразования вещества и энергии.

Этот накопительный эффект водохранилищ имеет как положительное (осветление воды, снижение её цветности, уменьшение содержания вредных бактерий), так и отрицательное значение (уменьшение самоочищающей способности воды, образование застойных зон, большее, чем в реках, прогревание воды, и как следствие - эвтрофирование новых водоемов).

4) Для водохранилищ как природно - хозяйственных объектов характерна чрезвычайно высокая динамичность развития (эволюции).

Динамичность водохранилищ проявляется во всех их характеристиках, но 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.

Главная цель создания водохранилищ - регулирование стока. Оно делается 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 [4].

2.2 Типы водохранилищ

гидроэнергетика водообеспечение природопользование

Водохранилища могут быть подразделены на типы (рис. 2) по характеру ложа, способу его заполнения водой, географическому положению, месту в речном бассейне, характеру регулирования стока.

Рисунок 2 - Основные типы водохранилищ (по А.Б. Авакяну, В.П. Салтанкину, В, А. Шарапову (1987)): а - долинное запрудное; б - котловинное запрудное (подпруженное озеро); в - котловинное наливное; г - котловинное наливное при гидроаккумулируюшей электростанции; д - долинное запрудное в эстуарии при приливной электростанции; е - котловинное запрудное в опресненном морском заливе; 1 - река; 2 - плотина; 3 - затопленная при подпоре береговая зона озера; 4 - подводящий и отводящий каналы; 5 - водоводы; 6 - направление течения; 7 - зеркало водохранилища.

По морфологическому строению ложа, согласно К.К. Эдельштейну, водохранилища делятся на долинные и котловинные (или озерные).

К долинным относятся водохранилища, ложем которых служит часть речной долины. Такие водохранилища возникают после сооружения на реке плотины. Главный признак таких водохранилищ - наличие уклона дна и увеличение глубин от верхней части водоема к плотине. Долинные водохранилища подразделяются, в свою очередь, на русловые, находящиеся в пределах русла и низкой поймы реки, и поименно-долинные, водой которых помимо русла затоплена также высокая пойма и иногда участки надпойменных террас. К котловинным (озерным) водохранилищам относятся подпруженные (зарегулированные) озера и водохранилища, расположенные в изолированных низинах и впадинах, в отгороженных с помощью дамб от моря заливах, лиманах, лагунах, а также в искусственных выемках (карьерах, копанях). Небольшие водохранилища площадью менее 1 км 2 называют прудами.

По способу заполнения водой водохранилища бывают:

- запрудные, когда их наполняет вода водотока, на котором они расположены;

- наливные, когда вода в них подается из рядом расположенного водотока или водоема. К наливным водохранилищам относятся, например, водохранилища гидроаккумулирующих электростанций.

По географическому положению водохранилища делят на:

- горные, которые сооружают на горных реках, они 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, в которых обычно высота напора 50-100 м;

- равнинные водохранилища 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 являются 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), Братское (106 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, опресненная водами Дуная лагуна Сасык на западном побережье Черного моря на Украине, водохранилище Эйсселмер в Нидерландах, образованное в результате отчленения от Северного моря залива Зейдер - Зе и его опреснения водами Рейна.

Сооружение равнинных водохранилищ обычно сопровождается большим затоплением территорий - пойменных лугов, лесов, сельскохозяйственных угодий, иногда требует переноса на новое место населенных пунктов, предприятий, дорог. При сооружении горных водохранилищ больших затоплений территории не происходит.

По месту в речном бассейне водохранилища могут быть подразделены на:

- верховые;

- низовые.

Система водохранилищ на реке называется каскадом.

По степени регулирования речного стока водохранилища могут быть:

- многолетнего регулирования; преследуется цель задержать сток многоводных лет для использования его в маловодные годы;

- сезонного регулирования; оно направлено на аккумуляцию в водохранилище стока многоводных периодов (половодья, дождевых паводков и т. п.) для использования в маловодные сезоны года. Сезонное регулирование речного стока осуществляют почти все водохранилища, предназначенные для ирригации, водоснабжения, борьбы с наводнениями, аккумуляции воды в целях обеспечения лесосплавных, судоходных, санитарных и других попусков (т. е. сброса воды вниз по реке), а также многие гидроэнергетические;

- месячного регулирования;

- недельного регулирования;

- суточного регулирования.

Тремя последними осуществляется почти всеми водохранилищами гидроэлектростанций. Эти виды регулирования увеличивают неравномерность расходов воды по сравнению с естественными расходами.

Характер регулирования стока определяется назначением водохранилища и соотношением полезного объема водохранилища и величины стока воды реки [10].

Классификация водохранилищ по объему, площади и глубине. Среди показателей, характеризующих размеры водохранилищ, наиболее важны объем и площадь водного зеркала, поскольку именно этими параметрами определяется в значительной степени их воздействие на окружающую среду [6]. Для репрезентативности сравнения размеров различных водохранилищ их параметры обычно приводятся при отметках НПУ и УМО. По озерам-водохранилищам учитывается только объем регулируемого верхнего слоя воды (полезный объем), а не весь объем зарегулированного озера. Приведем классификацию А.Б. Авакяна и В.А. Шарапова (1977), основанную на анализе обширных материалов по водохранилищам мира (табл. 1):

Таблица 1 - Классификация водохранилищ по размерам

Категория водохранилищ	Полный объем, куб. км	Площадь водного зеркала, кв. км	Отношение к общему числу водохранилищ, %
Крупнейшие	более 50	более 5000	менее 0,1
Очень крупные	50 - 10	5000 - 500	1
Крупные	10 - 1	500 - 100	5
Средние	1 - 0,1	100 - 20	15
Небольшие	0,1 - 0,01	20 - 2	35
Малые	менее 0,01	менее 2	44

До сих пор нет и общепринятой классификации водохранилищ по глубине - очень важного параметра, определяющего особенности многих гидрологических, физико-химических и биологических процессов [4]. Классификация, предложенная М.А. Фортунатовым (табл. 2), позволяет группировать по наибольшей и средней глубинам водохранилища различных типов, включая и многие зарегулированные озера.

Кроме выше перечисленного, водохранилища делятся по конфигурации, водообмену, химическому составу воды и т.д.

Таблица 2 - Классификация водохранилищ по глубине

Категории водохранилищ	Наибольшая глубина, м	Средняя глубина, м
Исключительно глубокие	более 200	более 60
Очень глубокие	100 - 200	30 -60
Глубокие	50 - 99	15 - 29
Средней глубины	20 - 49	7 - 14
Неглубокие	10 - 19	3 - 6
Мелководные	менее 10	менее 3

Таким образом, водохранилища можно систематизировать по многим признакам, выбирая любые качественные свойства и количественные критерии. Однако наиболее существенны именно те признаки, которые определяют основные черты природных процессов и направление хозяйственного использования этих водоемов [4].

3. Размещение и размеры водохранилищ

В настоящее время в мире существует около миллиона созданных человеком водохранилищ разного размера, от сравнимых с крупными естественными озерами до небольших прудов. Их общий объем превышает 6000 км³ и полезный объем - 3000 км³. Насчитывается около 30 тыс. крупных водохранилищ с объемом более 1 млн м³ [5].

Приблизительно 95 % объема всех водохранилищ мира сосредоточено в крупных водоемах с полным объемом более 0,1 км³. В настоящее время таких водохранилищ более 3000. Большинство из них расположено в Азии и Северной Америке (по 31 %), а также в Европе (20 %) [10].

Многие крупные реки планеты - Волга, Ангара, Миссури, Kолорадо, Парана, Теннеси и др. - превращены в каскады водохранилищ. В водохранилища превращены также некоторые озера (Байкал, Онежское, Виктория, Виннипег, Онтарио и др.) путем повышения уровня с помощью плотин, построенных вблизи истоков вытекающих из них рек [6].

По расчетам РосНИИВХа, в России сейчас насчитывается 103 крупных водохранилища объемом более 0,1 км³ каждое. Их суммарный полезный объем и площадь равны соответственно 339 км³ и 101 тыс. км². Всего же в России, по оценкам К.К. Эдельштейна (1998), более 2 тыс. водохранилищ [10].

Водохранилища имеются на всех континентах (кроме Антарктиды), во всех странах, во всех географических зонах (кроме арктической), во всех высотных поясах, вплоть до подножия горных ледников. Однако из-за многообразия природных и социально-экономических условий размещены они по территории земного шара и в пределах большинства государств очень неравномерно. Особенно неравномерно размещены крупные водохранилища, созданные на больших низменностях и плоскогорьях.

К тому же многие крупные водохранилища сосредоточены в областях с обилием больших озер (таких на земном шаре немного - Фенноскандия, Канадский щит, Восточная Африка, север Средней Сибири, Швейцарское плоскогорье и некоторые другие, меньшие по площади районы). Следует отметить, что распределение крупных водохранилищ по территории было бы еще более неравномерным, если бы их создавали только в наиболее благоприятных орографических и геологических условиях. Размещение малых, небольших и средних водохранилищ более равномерно, так как небольшие реки имеются почти везде.

Однако территориальное несовпадение регионов с благоприятными для создания водохранилищ условиями и районов концентрации населения, промышленности, интенсивного сельского хозяйства приводило к необходимости создания водохранилища ближе к водопотребителям, в областях с менее подходящими условиями, что привело к более равномерному их размещению. Распределение фонда водохранилищ объемом более 100 млн. куб. м по материкам и крупным государствам показывает (табл. 3), что больше всего таких водохранилищ в Северной Америке (почти 900), Азии (около 650) и Европе (более 500).

Таблица 3 - Распределение водохранилищ объемом более 100 млн м³ по географическим поясам, в % (в числителе - количество водохранилищ, в знаменателе их полный объем)*

Географические пояса
Материк или часть света	субарктические	умеренные	субтропические	тропические	субэкваториальные	экваториальные	Итого
Европа
Азия
Африка
Северная Америка
Южная Америка
Австра-лия и Океания
Итого
*Данные по А.Б. Авакяну, В.Р. Салтанкину, В.А. Шарапову (1987).

Неравномерное географическое размещение водохранилищ во многом определяется неодинаковым уровнем развития гидроэнергетики в разных регионах, различной потребностью в регулировании стока для нужд ирригации, неодинаковой степенью урбанизации и развития водоемких отраслей промышленности (теплоэнергетики, химической, металлургической, целлюлозно-бумажной и др.), а также особенностями режима речного стока.

Большое влияние на распределение водохранилищ по миру оказали также разные темпы социально-экономического развития государств, уровень и принципы развития их производительных сил. Как правило, в развитых капиталистических государствах водохранилищ больше, чем в развивающихся странах с такой же примерно территорией и численностью населения [4].

По территории России водохранилища размещены неравномерно. Велик удельный вес суммарного объема (45 %) и площади водного зеркала (более 35 %) водохранилищ Восточной Сибири и Дальнего Востока. Большие объемы воды заключены в горных водохранилищах Средней Азии (при относительно малой их площади), в предгорных Казахстана (на реках Иртыше и Или), в водохранилищах Волжско-Камского каскада.

В центральных и северных районах европейской части России водохранилища создаются, как правило, для энергетики и водного транспорта; на Северном Кавказе - для решения задач энергетики и орошения; в южных засушливых районов - в первую очередь для орошения; в Сибири - для энергетики и водного транспорта, а на Дальнем Востоке - еще и борьба с наводнениями.

Среди показателей, характеризующих размеры водохранилищ наиболее важны объем и площадь водного зеркала. Площадь, объем и глубина водохранилищ колеблются в широких пределах. По площади водохранилища делятся, как указывалось выше, на крупнейшие (с площадью водного зеркала более 5000 км²), очень крупные (5000-500 км²), крупные (5000-100 км²), средние (100-20 км²), небольшие (20-2 км²) и малые с площадью зеркала воды менее 2 км 2. Совсем малые водохранилища, создаваемые на мелких звеньях гидрографической сети, называют прудами, а в земляных выемках - копанями.

Данные о наиболее крупных по объему и площади водохранилищах земного шара приведены в табл. 4. Крупнейшие водохранилища (без учета озер - водохранилищ) - это водохранилища-гиганты: Вольта, Братское, Кариба и Насер. Очень крупные водохранилища составляют около 1 % всех водохранилищ, крупные - 5 %, средние - 15 %, небольшие - 35 % и малые - 44 %. Как видно, основная масса искусственных водоемов представлена небольшими и малыми водохранилищами.

К наиболее глубоким водохранилищам, помимо упомянутых выше, относятся Барука (260 м) - в Коста-Рике, Мика (235 м) - в Канаде, Саянское (220 м) - в России. Наибольший объем воды имеют такие гиганты, как Братское водохранилище (169 км³), Кариба (160 км³), Насер (157 км³), Вольта (148 км³), Гури (135 км³), Красноярское и Вади-Тартар (по 73 км³). К наиболее протяженным относятся следующие водохранилища: Куйбышевское (650 км), Братское (565 км), Волгоградское (540 км) и Насер (500 км).

В целом водохранилища создаются для решения определенных народохозяйственных целей, а развиваются по природным законам [6].

Таблица 4 - Крупнейшие водохранилища мира

Водохранилище (река, озеро)	Страна	Объем, км3	Площадь, км2	Напор, м	Год заполнения
		полный	полезный	полная	в том числе подпруженного озера
Виктория (Оуэн-Фолс) (Виктория Нил, оз. Виктория)	Уганда, Танзания, Кения	205	205	76000	68000	31	1954
Братское (Ангара)	Россия	169	48,2	5470	-	106	1967
Кариба (Замбези)	Замбия, Зимбабве	160	46,0	4450	-	100	1963
Насер (Садд-эль-Аали) (Нил)	Египет, Судан	157	74,0	5120	-	95	1970
Вольта (Вольта)	Гана	148	90,0	8480	-	70	1967
Красноярское (Енисей)	Россия	73,3	30,4	2000	-	100	1967
Зейское (Зея)	Россия	68,4	32,1	2420	-	98	1974
Усть-Илимское (Ангара)	Россия	59,4	2,8	1870	-	88	1977
Куйбышевское (Волга)	Россия	58,0	34,6	5900	-	29	1957
Байкальское (Ангара, оз. Байкал)	Россия	47,6	46,6	32970	31500	30	1959
Вилюйское (Вилюй)	Россия	35,9	17,8	2170	-	68	1972
Волгоградское (Волга)	Россия	31,4	8,2	3115	-	27	1960
Онтарио (Ирокуэй) (р. Св. Лаврентия, оз. Онтарио)	Канада, США	29,9	29,9	19560	19500	23	1958
Саяно-Шушенское (Енисей)	Россия	29,1	14,7	633	-	220	1987
Рыбинское (Волга)	Россия	25,4	16,7	4550	-	18	1949
Колымское (Колыма)	Россия	14,6	6,5	440	-	117	1983
Онежское (Верхнесвирское) (Свирь, оз. Онежское)	Россия	13,8	13,1	9930	9700	17	1952
Саратовское (Волга)	Россия	12,4	1,8	1830	-	15	1968
Камское (Кама)	Россия	12,2	9,2	1915	-	21	1956

4. Воздействие водохранилищ на гидросферу

В антропогенном перераспределении ресурсов пресных вод создаваемые водохранилища играют большую роль, даже если при сооружении плотины главной целью было создание ГЭС, а не мелиоративные мероприятия. Однако, давая некоторый экономический эффект, водохранилища вызывают также ряд отрицательных, часто не запрограммированных и не учтённых последствий в воздействии на окружающую среду.

4.1 Влияние водохранилищ на осадконакопление

Общая площадь созданных человеком на Земле водохранилищ оценивается к настоящему времени около 500 тыс.км², полный объём их вод - свыше 6000 км³; что же касается естественных озёр, то площадь их зеркала составляет 2682 тыс. км² при объёме вод около 250000 км³. Показательно, что ежегодное осадконакопление в акваториях водохранилищ составляет 13,38 млрд. т, а в естественных озёрах лишь 4,83 млрд. т. Сопоставляя приведённые цифры, получим, что, хотя площадь искусственных водохранилищ меньше площади естественных озёр в 6 раз, а объём вод меньше в 45 раз, ежегодное осадконакопление в водохранилищах более чем в 2,7 раза превышает естественное осадконакопление в озёрах. Это обусловлено тем, что модуль седиментации (или скорость осадконакопления на единицу площади акватории) водохранилищ почти в 17 раз выше модуля седиментации в естественных озёрах. Иначе говоря, скорость антропогенного осадконакопления в искусственных водохранилищах в связи с замедленной проточностью вод многократно превысила скорость подобного процесса, протекающего в естественных условиях, и вес ежегодно отлагающихся осадков в водохранилищах уже намного выше веса осадков, накапливающихся в озёрах естественного происхождения [11].

4.2 Влияние водохранилищ на режим вод

При строительстве водохранилищ резко уменьшается проточность, турбулентность воды, сокращается водообмен, создаются условия для возникновения застойных зон. Так, например, в среднем мировая продолжительность водообмена в речных системах увеличилась с 20 до 100 суток, что указывает на ухудшение их экологического состояния. В частности, заметно снизилась самоочищающая способность рек с турбулентным течением, связанная с постоянным поглощением кислорода из воздуха речной водой. Расстворенный в воде кислород расходуется на окисление переносимых водой органических загрязняющих веществ [4]. Затопленные плодородные почвы и растительность, обогащают воду большим количеством питательных элементов. Это приводит к изменению гидрохимического состава воды, к созданию благоприятных условий для развития болезнетворных бактерий и водорослей в водоёмах [11].

4.3 Влияние водохранилищ на берега

В природе не много таких быстро меняющихся и неустойчивых типов рельефа, как берега новых водохранилищ. В первые годы после создания водохранилищ, изменяются склоны речной долины, оказавшиеся на границе с водой. В одних местах берег начинает обваливаться и отступать, в других весь склон приходит в движение и возникает оползень, а в условиях балок - заливов образуются косы и пересыпи.

Главная сила, действующая на берега, разрушающая и намывающая их - ветровые волны и колебания уровней воды. Под воздействием волн происходят процессы абразии берегов, аккумуляции смытого материала и перенос его вдоль берегов. Колебания уровней воды определяют вертикальную зону волнового воздействия на берега, ширину зоны затопления и переработки берегов. Процессы затопления и подтопления берегов и волновая деятельность способствует развитию геодинамических процессов: обвалов, оползней, суффозий, просадок, а в определенных условиях - карста, термоабразии.

Существует несколько основных типов берегов: отступающие (разрушающиеся), почти не известные устойчивые и наступающие, или аккумулятивные. Каждые из этих берегов имеет свои особенности и закономерности формирования.

Отступающие под действием волн или абразионные берега широко распространены на всех водохранилищах. Разрушаются в основном крутые склоны долин. Состав пород абразионных берегов может быть любой (глины, пески, скальные породы и т.д.), все в той или иной степени размываются волнами. Быстрее всего разрушаются песчаные, лёссовые, несколько медленнее - суглинистые, ещё медленнее - глинистые. Скорость разрушения берега зависит и от его высоты: чем ниже берег, тем быстрее он размывается. Однако воды размывают породы, больше на больших берегах. В верховьях водохранилищ, в зоне выклинивания, возрастает роль сточных - речных течений. Обычно не ощутимые возле плотины, они способны транспортировать главным образом илистые частицы. Ежегодное разрушение берегов водохранилищ в первые годы часто превышает 10метров, иногда до 20-30 метров суши. Характерно, что мысы разрушаются быстрее, чем бухты и заливы, при равной крутизне склона и одинаковом геологическом строении. Мысы не защищены от волн широкой отмелью, так как продукты их разрушения уносятся вдольбереговыми течениями в заливы. Таким образом, каждый участок берега не развивается изолированно от других участков, удаленных от него, и с другой стороны, сам начинает влиять на соседние участки.

Обычно спустя несколько лет после наполнения водохранилища скорость размыва берегов постепенно уменьшается. Тем не менее, берег продолжает отступать еще многие десятилетия [12].

Большое влияние на формирование берегов оказывает полузатопленная растительность. Лес, густые заросли кустарников и трав уменьшают высоту волн, препятствуют движению наносов, и берег в таких местах не разрушается.

Своеобразно развиваются оползневые берега. После создания водохранилищ повышается уровень подземных вод, и влажность пород увеличивается. В результате меняются физические свойства грунтов. Всё это ведет к нарушению равновесия сил, которое обеспечивает неподвижность склона. Его неустойчивость увеличивает колебания уровня водохранилища, вызывающие резкие изменения давления грунтовых вод на породы. Возникает оползень, а в тех местах, где они наблюдались раньше, они вновь приходят в движение.

Для защиты берегов от размыва приходиться возводить защитные гидротехнические сооружения. Иногда от разрушения волнами намывается искусственный пляж.

Таким образом, по мере увеличения "возраста" водохранилищ переформирования их берегов уменьшается, образуется устойчивый профиль берега. Однако изменение водохозяйственных функций и режима водохранилища, тектоническое движения; циклические изменения гидрометеорологических условий и т. п. могут оживить процесс переформирования берегов [13].

4.4 Влияние водохранилищ на грунтовые воды

С заполнением водохранилища начинается активное воздействие вод на его берега. Они смачиваются в связи с подъемом уровня грунтовых вод, их подмывает штормовая волна, на них действует ветер.

С заполнением водохранилища грунтовые воды подпираются водохранилищем и поднимаются ближе к поверхности земли до того уровня, при котором они вновь могут стекать в водоем. До тех пор пока грунтовые воды не достигнут этого уровня, происходит их непрерывное пополнение за счет водохранилища.

Процесс повышения уровня грунтовых вод происходит, как правило, очень медленно. На первом этапе, который продолжается от нескольких месяцев до многих лет, повышение уровня грунтовых вод происходит за счет двух источников: фильтрации воды из водохранилища и аккумуляции притока грунтовых вод. На втором этапе, когда уровень грунтовых вод достигнет уровня воды в водохранилище, только за счет грунтовых вод, движущихся в сторону водохранилища [7].

Быстрое повышение уровня грунтовых вод происходит в трещиноватых известняках, в галечниках, в гравии и крупнозернистых песках и медленное в суглинках и глинах.

По мере удаления от уреза водохранилища скорость распространения подпора уменьшается. Формирование подпорного уровня грунтовых вод происходит медленно и в значительном удалении от водохранилища может продолжатся несколько десятков лет даже в хорошо водопроницаемых породах.

Уровень грунтовых вод на территориях, прилегающих к водохранилищу, испытывает колебания в течение года в зависимости от изменения уровня воды в водохранилище. Со сработкой водохранилища уровень грунтовых вод начинает понижаться, и наоборот. Чем ближе к урезу водохранилища, тем больше амплитуда колебания уровня грунтовых вод в связи с небольшой скоростью фильтрации отстают от колебаний уровня водохранилища. Также в некотором удалении от него уровень грунтовых вод может снижаться, в то время как уровень водохранилища уже повышается, и наоборот. Сезонные колебания уровня грунтовых вод распространяются не на всю ширину зоны подпора грунтовых вод.

Повышение уровня грунтовых вод, вызывает заболачивание и подтопление территории, приводит к изменению почв, химического состава грунтовых вод и растительности.

Таким образом, изменения режима грунтовых вод имеет большое значение для водоснабжения, строительства и других отраслей хозяйства, на водохранилищах организованы гидрологические станции и посты. Также влияние водохранилищ на грунтовые воды изучается с помощью скважин, приуроченных на различных расстояниях от береговой линии [12].

4.5 Мелководья в водохранилищах

Для водохранилищ, сооружаемых на равнинных реках, характерно широкое развитие мелководий, например, акватория Киевского водохранилища на 50% приурочена к мелководью. Это увеличивает нерациональные потери затопленных сельскохозяйственных земель, тогда как рост запасов воды на мелководьях весьма незначителен.

При создании водохранилищ в горных ущельях удаётся значительно сократить площадь затопляемых земель и образующихся мелководий; однако у плотин на горных реках, из-за резкого снижения скорости течения при большой массе транспортируемого обломочного материала, наблюдается быстрое заполнение водохранилища наносами и соответствующее уменьшение накапливаемых вод [11].

Изменяя гидрологический режим рек и процессы, происходящие в береговой полосе, водохранилища влияют на почвенно-растительный покров, животный мир и климат.

Интенсивность изменений климата под влиянием водохранилищ зависит также от рельефа (чем выше берег, тем быстрее затухают эти изменения), от параметров водохранилища, особенно объема водной массы, и других факторов. Основные изменения метеорологических условий под влиянием водохранилищ состоит в следующем: увеличивается радиационный баланс, испарение, ослабляется континентальность климата, возрастают скорости ветра, появляются ветры типа бризов.

Травостой заливных лугов при отсутствии ежегодного увлажнения и удобрения постоянно изменяется: влаголюбивые растения сменяются менее неприхотливому, но и менее ценному в кормовом отношении разнотравью; урожайность сенокосов и выгонов снижается. Происходит превращение заливных лугов в суходольные. Уменьшение влажности пойменных земель в период половодья имеет особенно большое значение в южных засушливых районах, где весеннее увлажнение обеспечивает развитие луговой и древесной растительности на ней в течение всего лета или большей части - даже при недостатке или отсутствии атмосферных осадков. В районах избыточного увлажнения, а также на поймах низкого уровня, происходит сокращение длительности затопления в результате создания водохранилищ, оказывающих положительное воздействие на почвы и растительность, уменьшая при этом избыток влаги и увеличивая вегетационный период. Также изменяются условия для роста и развития древесной растительности, в том числе и плодовых деревьев; эти изменения могут быть и положительными и отрицательными в зависимости от длительности затопления, величины подъема или снижения уровня грунтовых вод и их минерализации.

Изменение почвенно-растительного покрова оказывает существенное влияние на условия существования животного мира речных долин, особенно водных животных, водоплавающих и болотных птиц.

Таким образом, создание водохранилищ вызывает существенные изменения почв, климата, растительности и животного мира. Причина этого заключается в изменении климата, характера и степени увлажнения почв [14].

5. Оптимизация природопользования при создании и эксплуатации водохранилищ

Как видно из изложенного выше, создание и эксплуатация водохранилищ вызывают многообразные, нередко значительные, изменения в природе и хозяйстве более или менее обширных территорий. В целях предотвращения нежелательных последствий и максимального использования положительного эффекта создания водохранилищ в период строительства гидроузлов и в последующий период их эксплуатации проводятся комплексы мероприятий.

Мероприятия, проводимые в зоне водохранилища и в нижнем бьефе гидроузла, подразделяются на две группы:

- мероприятия по предотвращению, компенсации или смягчению нарушений, вносимых водохранилищами в природные условия и хозяйственную жизнь районов;

- мероприятия по подготовке к рациональному использованию водных, биологических и других ресурсов реки в верхнем и нижнем бьефах.

В настоящее время выявилась необходимость не только сохранения или восстановления того состояния природы и хозяйства, которое имело место до создания водохранилища, но и проведения ряда мероприятий по целенаправленному преобразованию (оптимизации) как природных, так и антропогенных компонентов окружающей среды.

В состав мероприятий первой группы входят:

- инженерная защита территорий и отдельных объектов (населенных пунктов, сельскохозяйственных земель, предприятий, участков берега, мостовых переходов и т. д.);

- восстановление фонда сельскохозяйственных угодий путем освоения неиспользуемых земель, интенсификация использования имеющихся сельскохозяйственных угодий, восстановление теряемой сельскохозяйственной продукции и земельнохозяйственное переустройство сельскохозяйственных предприятий в новых условиях;

- восстановление населенных мест и основных их фондов (путем их переноса, нового строительства, благоустройства и т. д.);

- переселение жителей и их социально-экономическое устройство на новых местах;

- переустройство промышленных предприятий;

- восстановление или переустройство инфраструктуры (объектов транспорта, складского хозяйства и т. п.);

- восстановление рекреационных и санаторно-курортных объектов;

- сохранение (переустройство или перенос) исторических и архитектурных памятников, исследование археологических памятников;

- восстановление лесных, рыбных, охотничьих и других ресурсов, изъятие из затопляемой зоны плодородного почвенного слоя, запасов древесины, торфа, полезных ископаемых или обеспечение условий их дальнейшего использования;

- предотвращение ухудшения качества воды: очистка ложа от деревьев и кустарников, удаление загрязняющих веществ, строительство очистных сооружений, создание водоохранных зон и т. п.

Использование водохранилищ как новых водоемов различными отраслями хозяйства требует проведения комплекса мероприятий как общего, так и отраслевого характера. В интересах отдельных отраслей проводятся:

- транспортное освоение водохранилищ (строительство портов, пристаней, устройство навигационной обстановки, дноуглубление и др.);

- рыбохозяйственное освоение водохранилищ (подготовка рыбопромысловых участков, строительство рыбодобывающей базы, зарыбление, акклиматизация кормовых организмов и др.);

- строительство водозаборных сооружений в интересах ирригации, водоснабжения и т. д.;

- устройство рекреационных объектов;

- инженерное обустройство акватории и береговых зон в целях рационального использования каждого из участков водохранилищ;

- мероприятия эксплуатационного характера (рыбохозяйственные, сельскохозяйственные, судоходные, санитарные попуски и др.).

Важное значение имеют схемы районной планировки, на основе которых разрабатываются проекты мероприятий, подлежащих выполнению до и после создания водохранилищ.

Проектирование нового водохранилища, в особенности крупного, это всегда поиск оптимального решения, в котором сумма выгод в конечном итоге должна превышать сумму потерь, и в каждом случае это решение должно быть индивидуальным [4].

6. Значение водохранилищ в хозяйственной деятельности человека

На характер регулирования, режим эксплуатации и на все технико-экономические показатели водохранилищ очень большое влияние оказывает географическое положение [15].

На протяжении многих веков население, проживающие на берегах рек во всех районах земного шара, непрерывно ведет борьбу с наводнениями, причиняющими колоссальный ущерб прибрежным районам. Частые наводнения - серьезное бедствие для народного хозяйства. И поэтому, важная, а иногда и решающая роль в борьбе с наводнениями принадлежит водохранилищам.

Создание регулирующих водохранилищ дает возможность на участках рек, расположенных ниже плотин, ликвидировать полностью или частично условия, способствующие наводнениям. Также создать условия для хозяйственного освоения долины, снизить затраты на строительство в различных отраслях хозяйства в связи с резким уменьшением паводковых расходов и уровней.

Рекреационное значение водохранилищ. Плавание, гребля, катание на лыжах, катерах, рыбная ловля, охота на водоплавающую дичь - далеко не полный перечень возможностей для отдыха и спорта, представляемых водоемами.

Оздоровительное значение отдыха на берегах водохранилищ не исключает необходимости экономической оценки их рекреационного использования. Эффективность рекреационного, а вместе с тем и комплексного использования водохранилищ существенно повышается. При проектировании водохранилищ заблаговременно развиваются необходимые мероприятия, осуществляется четкое районирование акваторий по видам отдыха с учетом интересов других отраслей хозяйства.

Ирригационное значение водохранилищ. Во многих странах мира сельское хозяйство испытывает значительные затруднения из-за недостатка воды, особенно в засушливые годы. Значительное увеличение площади орошаемых земель не могло быть обеспечено водными ресурсами рек в их естественном состоянии [4].

Создание водохранилищ позволяет значительно увеличить размеры орошаемой площади за счет более полного использования стока, подавать воду на поля в нужном количестве в соответствии с оптимальными сроками полива, увеличить площади самотечного орошения, снизить затраты на подкачку воды при машинном орошении [7]. Регулирование стока водохранилищами необходимо и потому, что потребности орошаемых земель в воде существенно изменяется по сезонам и в годы различной водности.

Требования, предъявляемые к зарегулированию стока, по мере роста орошаемых площадей непрерывно растут.

Водохранилища и рыбное хозяйство. Создание водохранилищ дает возможности для развития рыбного хозяйства. Прежде всего, увеличивается площадь водного зеркала, что создает условия для организации новых прогрессивных форм ведения рыбного хозяйства на внутренних водоемах. В водохранилищах искусственно выращивают промысловые стада молоди осетровых рыб, сиговых, леща, судака и др., а также проводиться акклиматизация ценных видов рыб (радужная форель, толстолобик, белый амур и др.).

...