Водохранилища – искусственные водоемы с объемом воды более 1 млн. м3, образованные в долинах рек в результате накопления воды перед плотиной. Они перераспределяют (регулируют) речной сток во времени: как по сезонам, так и в многолетнем разрезе. На крупных реках создаются каскады водохранилищ, причем наиболее оптимальные условия для функционирования всей речной системы создаются тогда, когда подпор нижнего водохранилища достигает водохранилища, расположенного выше по течению (Волго-Камский каскад, Ангарский, Днепровский и др.). Малые водоемы, создаваемые в долинах ручьев и балках, называются прудами, а в искусственных котлованах – копанями.
Участок реки выше плотины, на который распространяется влияние водохранилищ (включая их самих), называется верхним бьефом, участок реки с измененными характеристиками морфологии и стока ниже плотины – нижним бьефом.
По форме в плане и по строению котловины водохранилища делят на речные и озерные. Речные образуются в результате затопления долин рек (например, Саяно-Шушенское), озерные – при затоплении не только речных долин, но и прилежащих к ним водораздельных пространств (например, Рыбинское) и подтопления существующих озер (например, Иркутское, включающее в себя озеро Байкал, уровень которого искусственно повышен на 2 м).
У водохранилищ двойственная природа: они совмещают в себе черты рек и озер. С рекой их сближает поступательное движение воды, с озером – замедленный водообмен. В крупных водохранилищах выделяют три части. Нижняя – приплотинная, самая глубокая, по режиму наиболее близка к озеру: здесь течение слабое, наблюдается расслоение водной толщи по температуре. Средняя обладает промежуточным режимом. Верхняя – наиболее мелководная, по режиму чаще напоминает реку, так как озерный режим здесь устанавливается только в период полного заполнения водохранилища на максимальную высоту; ее называют зоной переменного подпора.
Водохранилища обладают рядом особенностей:
1) они испытывают значительные изменения уровня воды в течение года, по связаны эти колебания не с природными факторами, а с искусственным регулированием стока – накоплением и сбросом вод;
2) проточность вод приводит к меньшему нагреву воды, чем в озерах; мелкие водохранилища замерзают раньше, а крупные – позже, чем реки, но и те и другие вскрываются позже рек;
3) минерализация вод водохранилищ больше, чем у рек, особенно в жарком поясе, где велико испарение;
4) у водохранилищ происходит интенсивная деформация береговой зоны ветровыми волнами, преобразование крутых берегов идет по абразионному типу, пологих – по аккумулятивному;
5) интенсивная аккумуляция наносов приводит к заилению водохранилищ: на горных реках они заиливаются быстро – за десятки лет вследствие обильного стока наносов, на равнинных реках дольше – за сотни лет.
Ниже водохранилищ полностью меняется тепловой режим рек. Из крупных и глубоких водохранилищ в нижний бьеф, как правило, сбрасываются глубинные слои воды с температурой, близкой к +4°С. В результате ниже плотин температура воды в реках на большом расстоянии летом оказывается значительно меньше нормы, что делает невозможным купание в них, а зимой в умеренном климате – выше нормы, из-за чего там образуются протяженные полыньи.
В настоящее время на земном шаре эксплуатируется более 40 тыс. водохранилищ.
См. статью Об истории создания водохранилищ и крупнейших водохранилищах в мире.
Суммарная площадь их водного зеркала составляет около 400 тыс. км3. Самое большое по площади водохранилище – Вольта на реке Вольта в Западной Африке – 8480 км2, самое большое по объему воды (169,3 км3) – Братское водохранилище, самое глубокое (61 м) – Боулдер-Дам на реке Колорадо.
Водохранилища создаются обычно для многих целей; в первую очередь это энергетика, так как ГЭС вырабатывают большое количество дешевой и относительно чистой в экологическом отношении электроэнергии. Благодаря регулированию стока уменьшается риск наводнений и поддерживается экологически необходимый уровень рек в течение меженного периода, что позволяет осуществлять бесперебойное круглогодичное водоснабжение, орошение, обводнение территорий. Каскады водохранилищ на реках обеспечивают работу единых глубоководных транспортных магистралей. Водохранилища – зоны отдыха, рыболовства, рыбоводства, разведения водоплавающей птицы. Нетрудно заметить, что хотя все перечисленные задачи относятся к разным областям деятельности человека, их решение может осуществляться только в комплексе, при учете взаимных требований, и в первую очередь требований экологии. К сожалению, наряду с положительным значением водохранилища вызывают нежелательные, но неизбежные последствия: выше плотин – это затопление земель, прежде всего богатых пойменных лугов; подтопление лесов, сельскохозяйственных угодий, городских территорий; заболачивание земель выше плотины в зоне влияния водохранилищ из-за повышения уровня грунтовых вод; ухудшение качества воды в водохранилищах из-за снижения естественной самоочищающей способности и избыточного развития сине-зеленых водорослей, что пагубно для обитающих в воде живых организмов. В нижних бьефах, наоборот, происходит врезание рек, вызывающее ухудшение условий водоснабжения и судоходства; уровни грунтовых вод и частота затопления пойм снижаются, что приводит к остепнепию пойм и потере их урожайности. Плотины водохранилищ препятствуют нересту рыбы, причиняя ущерб рыбоводству, и т. д. Крупные водохранилища оказывают влияние на климат прибрежных территорий, аналогичное влиянию озер.
Создание водохранилищ и регулирование ими стока значительно преобразует естественный гидрологический режим реки, что влечет изменения и многих других природных процессов. Эти изменения проявляются по-разному в верхних (выше плотины) и нижних бьефах гидроузлов (ниже плотины). В первую очередь это относится к режиму уровней воды.
В верхних бьефах, где выделяют нижнюю, среднюю, верхнюю зоны водохранилища и зону выклинивания подпора, наибольшие изменения уровня воды происходят на нижнем участке, примыкающем к плотине. В зоне выклинивания подпора ход уровней, как в половодье, так и в межень, относительно близок к ходу уровней на реке в естественном состоянии. Наибольшей высоты уровень в водохранилищах многолетнего и сезонного регулирования достигает в конце половодья (в фазу наполнения).
С образованием водохранилищ коренным образом изменяется волновой режим: на реках высота волн обычно не превышает 0,5— 0,75 м, а на многих водохранилищах она достигает 3 м и более. Волны на водохранилищах круче и короче морских и озерных из-за меньшей глубины и относительно меньшего разгона волны. У подветренного берега водохранилища всегда спокойно; к открытой части высота волн возрастает. С понижением уровня водохранилищ размеры волн уменьшаются.
Решающую роль в переносе и циркуляции вод на водохранилищах играют течения — постоянные и временные. Постоянные (стоковые) течения обусловлены проточностью водохранилищ. Временные образуются под воздействием ветра, атмосферного давления, неодинакового распределения плотностей и антропогенных факторов. Скорости течения обычно возрастают к зоне выклинивания подпора, как правило, уменьшаются с глубиной и изменяются по сезонам года: наибольшие наблюдаются весной, наименьшие — в период межени. На крупных водохранилищах скорости течения значительно меньше, чем в небольших.
Течения и волнение, способствуя перемешиванию вод, создают неприятные условия для развития организмов и существенно влияют на термический и гидрохимический режим водоемов, а также направляют процессы илонакопления. Термический режим водохранилищ отличается отсутствием закономерного изменения температур с глубиной и довольно высокой температурой придонных слоев воды вследствие более интенсивного ее перемешивания под действием ветровых и стоковых течений. Наиболее теплой вода бывает в конце лета. Температура воды летом в тихую, нештормовую погоду обычно понижается от поверхности ко дну. Разность температур поверхностных и придонных слоев, как правило, не превышает 4—6° С. В период штормов, особенно характерных для осени, происходит перемешивание воды, и температуры практически выравниваются по акватории и глубине.
По гидрохимическим и гидробиологическим особенностям водохранилища ближе к озерам, чем к рекам. Затопленные почвы, размыв берегов, торфяники, растительность пополняют воду водохранилищ азотом, фосфором, железом, органическими веществами. Вследствие обогащения воды органическими веществами увеличивается содержание углекислоты и уменьшается количество растворенного кислорода. Наблюдается тенденция к увеличению солености, связанная с режимом регулирования и с загрязнением сточными водами.
Большое содержание биогенных веществ в воде и в затопленных почвах и растениях способствует интенсивному развитию растительных и животных организмов.
С созданием водохранилищ изменяется режим движения наносов. Характер и размеры этих изменений зависят от многих факторов: размеров, очертания в плане, величины сработки и степени проточности водохранилища, количества и крупности наносов, приносимых рекой, масштабов переработки берегов, режима течений и волнения.
Крупные водохранилища рассчитываются на заиление в течение нескольких столетий, тем не менее в практике гидростроительства известны случаи очень быстрого их уничтожения наносами.
Бороться с заилением водохранилищ можно путем уменьшения эрозии и твердого стока в его бассейне и своевременного сброса наносов из водохранилищ через специальные грязеспуски.
Водохранилища — очень сложные объекты. С одной стороны, водохранилища нужны: для обеспечения орошения и обводнения новых земельных массивов и повышения водообеспеченности поливных земель; для водоснабжения промышленных предприятий, населенных пунктов, ТЭЦ, АЭС, для организации зон отдыха и спорта вблизи городов и курортов, для использования гидроэнергоресурсов, для предотвращения наводнений. С другой стороны, создание водохранилищ осложняется нежелательными последствиями, вносимыми ими в природу и хозяйство территорий, на которых они создаются.
Во-первых, водохранилища являются одним из крупных “потребителей” земли. В настоящее время только у нас в стране под водохранилища изъято 0,5% площади сельскохозяйственных угодий. В зону затопления попадают и леса, и недра, и населенные пункты.
Во-вторых, со строительством плотин изменяется не только гидрологический режим реки, о чем мы уже говорили, но и весь комплекс природных условий на прилегающих к водохранилищам территориях (повышается уровень грунтовых вод, понижаются летние и повышаются зимние температуры воздуха, усиливается ветровая деятельность, повышается влажность воздуха, изменяется растительность и животный мир и т. д.).
Поэтому при проектировании и обосновании народнохозяйственной целесообразности создания водохранилищ необходимо в полной мере учитывать все положительные и отрицательные последствия для природы и хозяйства не только в период заполнения и в первые годы эксплуатации водохранилищ, но и в прогнозируемой перспективе. Последствия создания водохранилищ должны учитываться и в прилегающих районах и на удаленных территориях. Это задача многих специалистов, в том числе и географов.
