Гидроузлы.
Широко практикуемое в нашей стране комплексное использование водных ресурсов приводит к тому, что перечисленные выше различные по водохозяйственному назначению гидротехнические сооружения обычно группируются в те или иные комплексы по несколько сооружений для совместного выполнения ряда водохозяйственных функций. Такие комплексы называются гидроузлами. [2, с. 10-11].
По величине напора гидроузлы делят на низконапорные (с напором 2-10 м), перегораживающие речные русла и поймы, средненапорные (с напором 10-40 м) и высоконапорные (с напором более 40 м), перегораживающие речные русла, поймы и долины.
Постоянные гидротехнические сооружения по значению и роли в гидроузлах разделяют на основные и второстепенные. К первым относятся сооружения, прекращение работы которых в случае аварии или капитального ремонта приводит к полной остановке или значительному снижению мощности гидроэлектростанции, пропускной способности водозаборов, водопроводящих сооружений, сокращению судоходства, лесосплава, водоснабжения. При строительстве к ним предъявляются повышенные требования.
Второстепенные – это сооружения, прекращение работы которых не приносит значительного ущерба водному хозяйству. К ним относятся подпорные и раздельные стенки, облицовки каналов и берегов, струенаправляющие дамбы, ледозащитные сооружения. [6, с. 25-26].
Если несколько гидроузлов совместно и взаимосвязанно решают комплекс водохозяйственных проблем на значительной территории, т.е. являются объединенными (географически, экономически, организационно) в общую систему или гидросистемы. Ярким примером гидросистемы может служить река Волга с расположенными в её бассейне крупными гидротехническими комплексами. [2, с.11]. (Схемы гидроузла представлены на рис. 1.1.1, 1.1.2)
1.2 Общая характеристика водохранилищ
Водохранилища и их отличия от других типов водоемов.
Из всего многообразия преобразующей деятельности человека как по своим масштабам, так и по значению в глобальных экологических системах планеты особо выделяются два процесса: освоение новых территорий для сельскохозяйственного производства, промышленного и гражданского строительства и преобразование речного звена гидросферы на огромных пространствах суши путем гидротехнического строительства.
Гидротехническое строительство осуществляется на всех континентах планеты. Наибольшее значение имеют различного рода мелиорации (осушение и орошение) и создание новых водных объектов – водохранилищ и каналов. Водохранилища – ключевые, базовые элементы гидротехнических и водохозяйственных систем любого ранга, поскольку именно они позволяют осуществить регулирование водных ресурсов, преобразование гидросферы в желаемом для общества направлении.
К внутренним водоемам относят озера, лиманы, водохранилища, пруды. Водохранилища и пруды – очень похожие объекты. Разница между ними в размерах, но имеют значение и менее очевидные признаки.
Водохранилищами следует считать искусственно созданные долинные, котловинные и естественные озерные водоемы с замедленным водообменом, полным объемом более 1 млн. куб. м, уровенный режим которых постоянно регулируется (контролируется) гидротехническими сооружениями в целях накопления и последующего использования запасов вод для удовлетворения хозяйственных и социальных потребностей.
Необходимо отметить, что использование водохранилищ связано не только с безвозвратным изъятием воды. Для рыбного хозяйства, рекреации, охлаждения агрегатов электростанций, поддержания гарантированных судоходных глубин в пределах водохранилища и т.п. нужна акватория и водная масса в целом, а не только полезный объем, т.е. ежегодно расходуемый запас воды (рис. 1.2.1, 1.2.2).
У водохранилищ нет природных аналогов. Лишь по форме чаши с ними сходны завально-запрудные озера. Здесь следует отметить наиболее важные особенности водохранилищ.
1. Водохранилища – антропогенные, управляемые человеком объекты, но они испытывают 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 им право именовать их природно-техническими системами.
2. Водохранилища заметно, а нередко и значительно воздействуют на окружающую среду, вызывая изменения природных и хозяйственных условий на прилегающих территориях. Естественно, что наряду с заранее запланированными благоприятными последствиями возникают также и последствия негативного, неблагоприятного характера.
3. Водохранилищам свойственна особая система так называемых внутриводоемных процессов – гидрологических, гидрофизико-химических и гидробиологических.
4. Водохранилища – водоемы, наиболее интенсивно используемые различными отраслями хозяйства. На каждом значительном водохранилище формируется водохозяйственный комплекс (ВХК). Среди компонентов ВХК, т.е. всех отраслей хозяйства, использующих водохранилище и реку в нижнем бьефе, выделяют отрасли, заинтересованные в создании водохранилища и финансирующие его. Остальные отрасли используют водохранилище, поскольку оно существует. Участники ВХК предъявляют различные, а подчас противоречивые требования к режиму использования водохранилищ.
5. Для водохранилищ как природно-хозяйственных объектов характерна чрезвычайно высокая динамичность развития (эволюции).
Рассмотрим кратко эти принципиальные особенности.
Водохранилища – управляемые объекты. Это означает, что основные параметры водохранилища (объем, площадь, место расположения и режим регулирования), а вместе с ними и многие другие характеристики определяются человеком на стадии проекта; в составе гидроузлов имеются специальные технические системы, сооружения, и устройства (гидротурбины, водосбросные отверстия с затворами), позволяющие менять объем и уровень воды в водохранилище. Главная особенность решений, связанных с эксплуатацией водохранилищ, - некоторая неопределенность, обусловленная стохастическим характером направленности и интенсивности гидрометеорологических процессов в водосборном бассейне.
Водохранилища следует рассматривать как природно-технические системы, комплексы, которые состоят из природной и технической подсистем, диалектически связанных между собой. Учет этого взаимодействия может существенно увеличить возможности рационального и комплексного использования водохранилищ, а игнорирование – привести к значительным потерям. Управляя технической подсистемой водохранилищ, человек может вызвать развитие таких процессов, явлений и эффектов в природной подсистеме, которые он пока не в состоянии предотвратить, либо их преодоление требует значительных затрат трудовых и материальных ресурсов. Поэтому управляемыми объектами водохранилища можно считать лишь частично. Непосредственно и полностью человек управляет только запасами воды, а экосистемой и геосистемой водохранилища – частично и косвенно.
При создании водохранилищ происходят многообразные изменения природных и хозяйственных условий на территориях, как непосредственно прилегающих к новому водоему, так и на удаленных от него вниз по течению реки. Масштабы, глубина и направленность этих изменений определяются размерами нового водоема (площадь, объем водной массы, длина, ширина) и своеобразием природных условий района, которые могут ослаблять или, наоборот, усиливать влияние водохранилища.
Когда говорят, что водохранилищам присуща особая система внутриводоемных процессов, имеют в виду, что свойственные им гидрологические, гидрофизико-химические и гидробиологические процессы не идентичны тем, которые наблюдаются в других водных объектах – озерах, реках и каналах. Ведущими факторами, определяющими специфику взаимосвязанных и взаимообусловленных внутриводоемных процессов в водохранилищах, служат водообмен и уровенный режим водоема. Один из показателей водообмена – период, в течение которого происходит полная смена водной массы: для водохранилищ разного типа он может составлять от нескольких суток до нескольких лет.
Амплитуда колебаний уровня воды в разных водохранилищах изменяется также в широких пределах – от нескольких десятков сантиметров для равнинных водохранилищ, до многих десятков и даже более 100 м для горных водохранилищ (рис. 1.2.3).
Именно эти факторы и отличают условия развития внутриводоемных процессов в водохранилищах от тех, которые характерны для озер и рек. Проявляется это в том, что в водохранилищах создаются активные гидродинамические зоны транзитного стока, т.е. направленного движения воды к плотине, и образуются зоны водоворотных циркуляций, когда частицы воды перемещаются по очень сложным замкнутым траекториям. Наличие такой сложной гидродинамической структуры определяет многие важные для водоемов особенности: формирование и движение водных масс; термический, газовый и биогенный режимы; перемещение и осаждение минеральных и органических взвесей; процессы самоочищения воды и, наконец, жизненно важные условия обитания бактерий, организмов, живущих в толще воды (планктон), донных организмов (бентос), водная растительность, рыб.
Процессы трансформации вещества и энергии в водохранилищах имеют иные, чем в озерах и реках, масштабы, направленность, интенсивность и длительность. Это выражается в показателях качества воды, в структуре и продуктивности водных систем. В целом водохранилища можно рассматривать как своеобразные огромные преобразователи и аккумуляторы вещества и энергии, но только не автономные, как, например, озера. Рекам же, в отличие от водоемов с замедленным водообменом, наоборот, свойственен поточный механизм преобразования вещества и энергии.
Этот накопительный эффект водохранилищ имеет как положительные (осветление воды, снижение ее цветности, уменьшение содержания вредных бактерий), так и отрицательное значение (уменьшение самоочищающей способности воды, образование застойных зон, больше, чем в реках, прогревание воды, особенно на мелководьях, и как следствие – евтрофирование новых водоемов). Характерные примеры евтрофирования водохранилищ: избыточное развитие сине-зеленых водорослей (цветение воды), чрезмерное продуцирование биомассы водной растительности (заболачивание акваторий).