Общие сведения о водохранилищах

Необходимость создания водохранилищ связана с природными и антропогенными причинами:

-создание равномерного распределения стока рек в течение года;

-предотвращение (уменьшение) вредного воз­действия воды на окружающую среду (борьба с наводнениями, селями, размывом берегов и др.);

-улучшение (смягчение) климата;

-использование водных ресур­сов (гидроэнергетика; водный ­транспорт; промышленное, сельскохозяйственное и городское водоснабжение; рыбохозяйственное значение; рекреация) и др.

Например: для орошения и обводнения земель создавались водохранилища в южных районах: Чардаринское, Токтогульское и др., для водоснабжения городов и промышленных предприятий - Иваньковское, Можайское, Магнитогорское, Краснооскольское и др., для гидроэнергетики - Братское, Красноярское и др. Водохранилища Волжско-Камского и Днепровского каскадов наряду с регулированием стока в интересах гидроэнергетики улучшают условия орошения земель, судоходства, лесосплава, борьбы с наводнениями, организации отдыха населения и т.п. На Дальнем Востоке, на Кавказе, в Карпатах и других районах водохранилища имеют большое значение для борьбы с наводнениями (Зейское, Мингечаурское и др.). Состав и значение отдельных участков водохозяйственного комплекса изменяются не только по территории региона, но и во времени в связи с развитием экономики и гидротехнического строительства.

Большинство водохранилищ создаётся в интересах нескольких отраслей экономики (комплексное использование).

Отличие водохранилищ от естественных водо­ёмов /13/:

-антропогенное происхождение с заранее спланированными параметрами и возможностью регулирования гидрологического режима в зависимости от конкретных экономических задач.

-коренное преобразование ландшафтов, ранее существовавших на месте водохранилища, его воздействие на окружающую среду, изменение природных условий на прилегающей территории;

-возникновение своеобразных внутриводохранилищных гидрологичес-ких, гидробиологических, биохимических и геологических процессов, в основе развития которых, несмотря на антропогенное происхождение водохранилищ, заложены природ­ные закономерности;

-высокая динамичность процессов формиро­вания водохранилищ.

Для всех водохранилищ характерно: возрастание глубин по направлению к плотине, кроме водохранилищ созданных на глубоких озёрах; замедленный по сравнению с рекой водообмен и скорости течения; неустойчивость летней термической и газовой стратификации и некоторые другие особенности гидрологического режима.

Различают водохранилища суточного, недельного, сезонного (или годичного) и многолетнего регулирования. Объём водной массы водохранилищ, площадь зеркала, глубина подвержены сезонным изменениям в связи с неравномерностью естественного притока воды и её потреблением для нужд экономики страны. Создаются большие и малые водохранилища (площадью от нескольких десятков га до нескольких тысяч км², объёмом от сотен тысяч м³ до сотен км³). В горных районах многих стран большое число водохранилищ образовано плотинами ГЭС.

Существование водохранилищ, в основном, связано с регули­ровкой стока воды. Во время половодья происхо­дит аккумуляция речного стока – наполнение водохранилища, а в маловодный период – отдача воды, сработка водохранилища. Характеристики водохранилища (рисунок 2):

Рисунок 2 - Основные элементы водохранилища

- высший подпорный уровень, который плотина может поддерживать в течение длительного времени при обеспечении нормальной эксплуатации всех сооружений, называется нормальным подпорным уровнем (или горизонтом) (НПУ, или НПГ);

- высший подпорный уровень, превышающий НПУ, который можно поддерживать недолгое время в период пропуска паводка, обеспечивая сохранность сооружений, называется форсированным подпорным уровнем (ФПУ);

- минимальный уровень, допустимый в условиях нормальной эксплуатации, до которого доходит вода при сработке водохранилища при нор­мальной эксплуатации, - определяется как уровень мёртвого объёма (УМО);

- полезный объем воды - заключен между НПУ и УМО, мертвый объем воды - находится ниже УМО.

3.1.1 Классификация водохранилищ /13, 14/

Единой универсальной классификации водохра­нилищ не существует, предложена их типизация по отдельным частным показателям.

По генезису водохранилища подразделяются:

-на речные долинные, образующиеся в результате пере­крытия рек плотиной;

-наливные, возникающие в естественных депрессиях, когда по каналам пода­ются избыточные количества паводковых вод рек;

-озера-водохранилища - созданные путем подпора и антропогенного регулирования водообмена естест­венных озер;

-подземные - в качестве вмещающей емкости используются подземные пустоты;

-морские прибрежные - участки моря (заливы, бухты, лиманы), отделенные от него плотинами или дамбами.

По географическому положению различают:

- водохранилища равнинные, характеризующиеся значительной акваторией и площадью затопления земель, небольшой (в среднем 5-9 м) глубиной, сравнительно малой величиной сработки (2-7м), интенсивной переработкой берегов, подтоплением земель, комплексным использованием;

- предгорные - отличаются повышенной (до 70-100 м) и средней (до 10-20 м) глубинами, значительной сработкой (до 10-20 м), высокими и крутыми берегами, существенным нарушением в хозяйстве прилегающих районов;

- горные - сравнительно небольшие по площади, но глубокие (нередко более 100-200 м), с величиной сработки до 50-100 м, устойчивыми берегами и высокой скоростью осадконакопления.

В таблице 9 представлена классификация водохранилищ по размерам.

Таблица 9 - Классификация водохранилищ по размерам

Категория водохрани-лищ	Полный объем, км3	Площадь водного зеркала, км2	Категория водо­хранилищ	Глубина, м
наиболь-шая	сред-няя
Крупнейшие	>50		Исключитель-но глубокие	>200	>60
Очень крупные	50-10	5000-500	Очень глубокие	100-200	30-60
Крупные	10-1	500-100	Глубокие	50-99	15-29
Средние	1-0,1	100-20	Средней глубины	20-49	7-14
Небольшие	0,1-0,01	20-2	Неглубокие	10-19	3-6
Малые	<0,01		Мелководные	<10	<3

В зависимости от конфигурации, интенсивности водообмена, а следовательно, гидрологического режима, водохранилища делятся на 2 типа: озёрные и речные. Для водохранилищ озёрного типа (например, Рыбинское) характерно формирование водных масс, существенно отличных по своим физическим свойствам от свойств вод притоков. Течения в этих водохрани-лищах связаны больше всего с ветрами. Водохранилища речного типа (Дубос-сарское и др.) имеют меньшие размеры, течения в них носят гравитационный характер, водная масса по своим характеристикам близка речным водам.

Водохранилища входят в состав гидроузлов (ГЭС, плотина, водохранилище). Наиболее ответственными сооружениями гидро­узлов являются плотины. По вы­соте плотины подразделяются на четыре разновиднос­ти: низкие (до 10 м); средние (от 10 до 50 м); высокие (от 50 до 150 м); сверхвысокие (более 150 м - экологи дали им название «дамбы бегемоты»). Высокие и сверхвысокие плотины возводятся в ущельях гор. По материалу плотин подразделяются на земляные, камен­ные, бетонные и железобетонные.

3.1.2 Геохимический режим водохранилищ /13/

Геохимический режим водохранилищ зависит от химического состава веществ, поступающих с во­дой рек, характера и интенсивности внутриводоемных процессов. Распределение химических элемен­тов в воде, взвесях, осадках, живых организмах является результатом биогенной, физико-химичес­кой и механической миграции, происходящей в водохранилищах.

Основные факторы формирования химического состава воды в условиях зарегулированного стока: со­держание элементов и их соединений в водах, поступающих в водохранилище, его расположение в каскаде, степень водообмена и гидрометеорологи­ческая обстановка, процессы осаждения, сорбции и десорбции, взаимодействие между водой и осадками, изменение щелочно-кислотных и окислитель­но-восстановительных условий, интенсивность раз­вития водорослей.

Главные ионы. Содержание главных ионов (Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, HCO₃^-, CO₃^2-, SO₄^2-, Cl^-) в воде водохранилища определяется рядом факторов: гидрохимичес­ким режимом впадающих в него рек, гидрологи­ческими и метеорологическими условиями, степе­нью водообмена.

В водохранилищах, расположенных в зоне из­быточного увлажнения, среднегодовые содержания главных ионов и минерализация воды изменяются незначительно. Но в результате аккумуляции и перемешивания маломинерализованных паводковых вод и более минерализованных меженных вод, в водохранилищах происходит уменьшение годовой амплитуды колебания минерализации и концен­трации отдельных ионов, особенно в приплотинных участках.

В водохранилищах, находящихся в засушливой зоне за счет испарения воды, вымывания солей из почв и грунтов, увеличивается содержание ионов SO₄^2-, Cl^-, Na⁺, а в результате внутриводоемных процессов снижается концентрация в воде HCO₃^-, Са²⁺.

Растворенные газы. Газовый режим водохрани­лищ зависит от многих факторов, отличается от речного. Содержание растворенных в воде кислоро-да, углекислого газа и других газов связано с проточностью и интенсив-ностью ветрового перемещения водных масс, интенсивнос­тью фотосинтеза и деструкцией органического ве­щества, величиной потребления и выделения газов донными отложениями, характером и напряжен­ностью окислительно-восстановительных процессов.

Кислород в воду поступает из атмосферы и в процессе фотосинтеза. Он расходуется при ды­хании живых организмов и окислении органичес­кого вещества, соединений азота, закисного желе­за, поглощается донными отложениями, выделяется в атмосферу. Источником двуокиси углерода в во­дохранилищах являются процессы распада органи­ческого вещества и дыхания водных организмов. Снижение концентрации двуокиси углерода проис­ходит при фотосинтезе и выделении в атмосферу. В результате содержание растворенных газов в воде водохранилищ колеблется в более широких преде­лах, чем в реках.

Наиболее резкие перепады в распределении га­зов наблюдаются в летний и зимний периоды, ког­да устанавливается их вертикальная стратифика­ция. Летом, во время интенсивного фотосинтеза и штилевой погоды, в поверхностных слоях воды со­держание кислорода увеличивается до 150-200% насыщения, а содержание двуокиси углерода снижается почти до 0. В придонных горизонтах воды кисло­род практически полностью расходуется на окис­ление органического вещества, а концентрация двуокиси углерода резко возрастает. Такие изменения газового режима водохранилищ влияют на окислительно-восстановительные и щелочно-кислотные условия, миграцию химических элементов и их обмен между водой и осадками, приводит к возникновению заморных явлений.

Указанная стратификация легко разру­шается ветровым перемеши-ванием, охватывающим всю водную толщу. Описанный газовый режим харак-терен для равнинных водо­хранилищ с повышенной продукцией органическо­го вещества. В предгорных, а также низкопродук­тивных водохранилищах растворенный в воде кислород распределен более или менее равномерно и его дефицита в природных горизонтах практи­чески не наблюдается.

Биогенные элементы. На распределение биоген­ных элементов (NO₃^-, NO₂^-, NH₄⁺, N_ОБЩ., Р_МИН., Р_ОБЩ.) в воде водохранилищ большое вли­яние оказывают внутриводоемные процессы: про­дукция и деструкция органического вещества, в том числе минерализация затопленной древесины, луговой и водной растительности, взаимодействие между водой, донными отложениями и затоплен­ными почвами, осадкообразование, сорбция и де­сорбция элементов. В водохранилищах ярко выражен и значительно усилен круговорот биоген­ных элементов (происходит их интенсивное потребление в процессе фотосинтеза, выделение в воду при минерализации органического вещества). Поэтому концентрация биогенных элементов в водохранилищах является результи­рующей воздействия перечисленных выше факто­ров, которые часто действуют в различных направ­лениях.

В первые годы существования водохранилищ мощ­ным дополнительным источником биогенных элементов являются залитые почвы и породы, остатки древесной, кустарниковой, луговой растительности, при минерализации которых в воду поступает боль­шое количество разнообразных органических и био­генных соединений. За счет этого во многих водохранилищах увеличивается количест­во биогенных элементов, происходит массовое развитие водорослей и ухудшение качества воды.

Органическое вещество. В результате роста ин­тенсивности продукционно-деструкционных процес­сов в водохранилищах по сравнению с реками происходят качественные и количественные изме­нения органического вещества. В воде возрастает содержание органических форм углерода, азота, фос­фора, повышается доля биохимически неустойчи­вых соединений.

Микроэлементы. Зарегулирование речного сто­ка ведет к существен-ным изменениям условий миграции редких - малораспространенных хими­ческих элементов (Mn, Zn, Cu, Al, Fe, Ni, V, Mo и др.): уменьшается скорость течения и увеличивается седиментация взвешенных форм металлов, возрастает продуктивность и скорость биологического круговорота элементов, изменяют­ся щелочно-кислотные, окислительно-восстанови­тельные условия, количество и состав органичес­кого вещества, повышается роль донных отложений и происходящих в них геохимических процессов. Содержание и распределение микроэлементов в воде водохранилищ зависит от величины их притока с водами рек, морфометрии и проточности водоема, его положения в кас­каде, продуктивности и гидрометеорологического режима, геохимической обстановки в воде и осад­ках, степени техногенного загрязнения.

Суммарным результатом изменения условий геохимической миграции элементов при регулиро­вании стока является переход металлов из водной среды в донные отложения.

Химический состав донных отложе­ний. В водохранилище по сравнению с рекой значительно снижается скорость течения и создаются более благоприятные условия для оседания взве­шенного материала. В результате на месте речного и пойменного аллювия или затопленных почв об­разуются донные отложения. На формирование осадков оказывают влияние все совокупности био­химических, физико-химических и геологических процессов, происходящих в водохранилище. Их химический состав и свойства являются интеграль­ным показателем этих процессов.

Условия осадкообразования водохранилища су­щественно отличаются от таковых в естественных водоемах и водотоках, прежде всего за счет интен­сивного размыва берегов, повышенной биологичес­кой продуктивности, антропогенного изменения уровня воды.

В ходе седиментации и дифференциации взвешенного материала, на разных участках водохранилища накапливаются различные типы осадков, которые отличаются гранулометрическим и химическим составом. В гидродинамически активных зонах преобладают крупнозернистые разности с высоким содержанием кремнезема и низким других компонентов. В пониженных и затишных участках аккумулируются мелкие фракции взвесей, с увеличением степени дисперсности осадков повышается концентрация многих элементов. Во многих водохранилищах наблюдается новообразо­ванные илистые осадки.

Основные процессы, определяющие миграцию химических элементов в во­дохранилищах. Геохимическая миграция в во­дохранилищах протекает в специфических услови­ях высокой биологической продуктивности, интенсивной седиментации терригенного материа­ла переменного щелочно-кислотного и окислитель­но-восстановительного режима.

Увеличение биологической продуктивности при­водит к изменению кислотно-щелочных условий в воде. В периоды массового развития водорослей содержащаяся в верхних горизонтах воды двуокись углерода практически полностью потребляется фи­топланктоном, за счет чего рНувеличивается до 8,5-9,7 и среда становится щелоч­ной. Увеличение щелочности воды существенно влияет на миграционные способности элементов, снижая подвижность одних (Са, Sr, Fe, Mn) и повышая других (Мо, V).

В придонных горизонтах воды и в донных отло­жениях при участии микроорганизмов происходит разложение органического вещества, интенсивное поглощение кислорода, образование восстановитель­ной обстановки. В окислитель­ной среде элементы с переменной валентностью (Fe, Мn) образуют труднорастворимые гидроокис­лы, которые сорбируют многие элементы. В вос­становительной глеевой обстановке железо и мар­ганец восстанавливаются, переходят в раствор, растворяются и сорбированные ими микроэлемен­ты.

Осаждение и соосаждение. Различают се­диментацию взвешенного материала, происходящую при снижении скорости течения и осаждение образующихся в водохранилище труднорастворимых со­единений.

Первый из этих процессов наиболее выражен в головном водохранилище, где аккумулируется ос­новная масса взвесей и содержащихся в них хими­ческих элементов. Второй развивается в том слу­чае, если изменяются условия геохимической миграции.

Например, в Киевском водохранилище ежегодно осаждает­ся 3,6 - 9,2 тыс. т железа (15-46% от поступле­ния), до 0,6 тыс. т или 33% взвешенного фосфора, 1,2 - 1,5 тыс. т микроэлементов, вносимых с по­верхностным стоком. Из них 2/3 - седиментация взве­шенных форм, 1/3 - осаждение из растворов.

Во время массового развития водорослей и ин­тенсивного потребления ими двуокиси углерода увеличивается щелочность воды, происходит сме­ще-ние равновесия в карбонатной системе и пере­сыщение воды карбонатом кальция в 7-10 раз. В воде уменьшается содержание ионов Са²⁺ и НСО₃^-. В Цимлянском водохранилище среднегодовое многолетнее содержание Са²⁺ и НСО₃^- в воде приплотинного участка уменьшается по сравнению с их среднегодовым взвешенным по стоку содержа­нием в поступающей донской воде на 26 и 28%. При этом содержание Мg²⁺, Nа⁺+ К⁺, SO₄^2- и Сl^- на приплотинном участке, по срав­нению с их содержанием в реке Дон у г. Калача, увеличивается на 7-24%.

Наблюдается четкая связь между интенсивностью фотосинтеза, увеличением рНводы, снижени­ем содержания в воде ионов Са²⁺ и НСО₃^- и на­коплением карбоната кальция в донных отложени­ях. Таким образом, в водохранилищах степной зоны за счет смены нейтральных и слабо­щелочных условий в реке на щелочные осаждает­ся карбонат кальция.

На основании балансовых расчетов установле­но, что в Цимлянском водохранилище ежегодно осаждается 750 тыс. т СаСО₃.

Удаление химических элементов из воды проис­ходит в результате соосаждения на гидроокислах железа, марганца, карбоната кальция, глинистых частицах. Большое значение как соосадитель име­ет гидроокись железа, значительная часть которо­го аккумулируется в водохранилищах.

Сорбция относится к тем процессам, которые обеспечивают переход многих элементов из раство­ров во взвеси и донные отложения. Она тесно свя­зана с осаждением и соосаждением. Обычно сорбция развивается на дисперсных частицах, обладающих большой поверхностной энергией. По аккумулирую­щей способности природные сорбенты располага­ются в следующей последовательности: гидроокись марганца > гуминовые кислоты > гидроокислы железа > глинистые минералы.

Связывание элементов с сорбентами происходит за счет присоединения в инертном положении (дет­рит), физической сорбции и химической сорбции (все сорбенты), осаждения и соосаждения (гидроо­кислы железа), комплексообразования (органичес­кое вещество). Высокой сорбционной способностью обладают гидроокислы марганца и железа, неред­ко контролирующие содержание и поведение ме­таллов в водоемах. По уменьшению сорбционной емкости для гидроокислов железа и марганца ус­танавливается следующий ряд: Рb²⁺ > Zn²⁺ > Сd²⁺ >Са²⁺ > К⁺.

Среди органических веществ наибольшее значе­ние в связывании металлов имеют гуминовые кис­лоты. По степени адсорбции на твердом органичес­ком веществе элементы располагаются в следующий последовательный ряд: Нg²⁺ > Сu²⁺ > Рb²⁺ > Zn²⁺ > Cd²⁺.

Глинистые минералы занимают последнее мес­то среди природных сорбентов. Для иллита после­довательность сорбции выражается рядом: Рb²⁺ > Сu²⁺ > Zn²⁺ > Ca²⁺ > Mg²⁺; для каолинита Pb²⁺ > Ca²⁺ > Cu²⁺ > Mg²⁺ > Zn²⁺ > Ca²⁺.

Важной особенностью природных сорбентов яв­ляется их взаимосвязь. Глинистые минералы часто становятся субстратом, на котором осаждается органическое вещество, гидроокислы железа и марганца, а последние, в свою очередь, могут быть субстратом для других сорбентов.

Эффективно снижает концентрации металлов в природных водах неорганическая сорбция взвешен­ными веществами и донными отложениями. В верховьях водохранилищ преобладает сорбция на взвесях, на нижних участках, а также внутри каскада ведущими сорбентами становятся илы и взвешенное вещество.

Комплексообразование. Природные воды содержат растворенные органические и неоргани­ческие вещества, способные создавать с ионами металлов различные комплексные соединения. В результате многие элементы приобретают высокую миграционную способность, изменяются условия и их осаждения.

Наиболее распространенными неорганическими лигандами являются SO₄^2-, ОН^-, НСО₃^-, СО₃^2-. К главным органическим комплексообразованиям относятся сульфо- и гуминовые кислоты. Например, благода­ря комплекcообразованию в днепровских водохра­нилищах значительно увеличивается подвижность меди, в вегетационный период практически весь марганец связан в комплексы.

Биологическое поглощение. Роль живо­го вещества в миграции элементов может быть прямой (поглощение и концентрирование, биоло­гический круговорот) или косвенной (изменение щелочно-кислотных и окислительно-восстановитель­ных условий, образование органо-минеральных ком­плексов). Различают несколько способов ассимиля­ции химических элементов живым веществом: участие в физиологическом процессе, поступление с пищей, частичное выедание взвешенных веществ, ионный обмен и сорбция.

Качественные и количественные закономерности биогенной миграции в водоемах изучены недостаточно. Установлена концентрационная функция водной растительностью для Сu, Zn, Pb, Mn, Ni. Интенсивное развитие водорослей и поглощение ими ряда химических элементов при­водит к снижению содержания в воде Mn, Cu, Zn, а осенняя деструкция сопровождается повышени­ем их концентрации. Содержание взвешенных форм металлов увеличивается с ростом биомассы план­ктона.

Обмен веществ между водой и осад­ками. Круговорот вещества в водохранилищах включает поступление элементов из водной толщи в донные отложения путем осаждения минераль­ных и органических взвесей, а также непосред­ственное поглощение осадками и обратный поток за счет диффузии и конвективного переноса.

Прямое поглощение осадками имеет наиболь­шее значение для кислорода, расход которого в илах достигает 50% общего количества потребля­емого экзосистемой. Кислород расхо­дуется на дыхание (живыми организмами) и окис­ление веществ: аммиака, метана, сероводорода, железа, марганца, сульфидов. На окисление идет 10—30% от общего его потребления осадками. В результате интенсивного поглощения кислорода в донных отложениях образуется восстановительная обстановка. При переходе из окислительной среды в восстановительную меняются условия миграции многих элементов. Они растворяются, десорбируются, т. е. становятся более подвижными и накап­ливаются в поровых растворах.

Между иловыми растворами и придонными во­дами возникает градиент концентрации и как след­ствие этого происходит переход элементов из осад­ков в водную среду. В наибольшей степени из донных отложений в воду мигрируют биогенные компоненты (NH₄, PO₄), органическое вещество (аминокислоты), марганец, железо, микроэлементы.

Интенсивность потока элементов из илов в воду во многом определяется положением границы меж­ду окислительной и восстановительной обстанов­кой. В зависимости от глубины водоема, количес­тва органического вещества, величины поглощения кислорода осадками, она может находиться в дон­ных отложениях, на их поверхности или в придон­ном горизонте воды.

На мелководных участках с хорошим переме­шиванием и аэрацией воды эта граница располо­жена в донных отложениях. В результате диагенетического перераспределения элементы мигрируют из восстановленных илов в окисленные, где образуются труднорастворимые соединения, и в водную толщу не попадают.

В более глубоких районах во время интенсивно­го фотосинтеза и безветренной погоды восстанови­тельная обстановка переходит в придонные воды. Окисленный слой на поверхности осадков исчезает и элементы из иловых вод переходят в водную толщу. Однако ветро-волновыми движениями ус­тановившаяся стратификация нарушается и окис­лительно-восстановительная граница смещается в донные отложения. На глубоководных приплотинных участках водохранилища восстановительная обстановка в придонных слоях может сохраняться более продолжительное время. Поток элементов из донных отложений в водную толщу в этом случае значительно усиливается и оказывает существен­ное влияние на гидрохимический и гидробиологи­ческий режим водоема.

Таким образом, на одних водохранилищах при определенных условиях преобладает односторонний поток элементов из воды на дно, способствующий самоочищению водоема и улучшению качества воды. На других (или при изменении условий гео­химической миграции) возможен переход вещества из илов в водную толщу. Донные отложения в этом случае являются существенным источником химических элементов и их соединений, за счет которых возможно вторичное загрязнение водоема.

Список международных стандартов по определению качества воды приведен в приложении В.

Строительство и эксплуатация гидроэнергетических комплексов вызывают серьезные нарушения геологической среды и требуют принятия эффек­тивных мер для ее защиты.