Когда на какой-либо территории потребность в воде начинает превосходить величину устойчивого речного стока, и другие источники водных ресурсов (в первую очередь, подземные воды) отсутствуют или почему-либо не могут быть использованы, возникает необходимость в регулировании речного стока, то есть в строительстве плотин и, соответственно, создании водохранилищ. Создание плотин и водохранилищ - важнейший способ увеличения объема возобновимых водных ресурсов.
Первые плотины появились в мире еще 4—4,5 тыс. лет тому назад. В XX в. темпы создания плотин сильно увеличились, в особенности начиная с 1950-х гг. 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 куб. км и полезный объем - 3000 куб. км. Насчитывается около 30.000 крупных водохранилищ с объемом более 1 млн. куб. м. Наиболее крупные водохранилища (не считая подпруженных озер) это Братское на Ангаре (169 куб. км), Кариба на Замбези (160 куб. км), Насер на Ниле (157 куб. км), Вольта на Вольте (148 куб. км). Общая площадь поверхности водохранилищ, включая подпруженные озера, составляет около 600000 кв. км.
При суммарном полезном объеме равном 3000 куб. км водохранилища увеличивают устойчивый сток, то есть возобновимые ресурсы, пригодные к использованию, на 25 %. С другой стороны, средняя мировая продолжительность водообмена в речных системах увеличилась с 20 до 100 суток, что указывает на ухудшение их экологического состояния. В частности, заметно снизилась естественная само- очищающая способность рек, связанная с постоянным поглощением кислорода из воздуха речной водой, текущей в турбулентном режиме. Растворенный в воде кислород расходуется на окисление переносимых водой органических загрязняющих веществ.
В России и других странах бывшего СССР имеется более 4000 крупных водохранилищ с объемом, превышающим 1 млн. куб. м, причем 98% общего объема находится в 250 крупнейших водохранилищах с объемом каждого более 100 млн. куб м. Всего зарегулировано около 1200 куб. км воды, или около 25 % речного стока.
Водохранилища, в том числе крупнейшие, располагаются в России преимущественно на равнине. Это означает, что потери земли, причем самой ценной для сельского хозяйства, на поймах и террасах рек, в особенности велики. Помимо потери сельскохозяйственных земель, водохранилища в России принесли с собой ряд других проблем. Среди них такие как переселение людей и нарушение сложившихся традиций ведения хозяйства, ухудшение качества воды, неустойчивый, и потому неблагоприятный гидрологический режим в нижнем бьефе плотин, перехват стока биогенных элементов (фосфора и азота) и, соответственно, снижение биологической продуктивности морей, подъем уровня грунтовых вод с сопутствующими изменениями продуктивности природных и антропогенных ландшафтов, ухудшение условий для рыбного хозяйства и др.
С другой, положительной стороны, гидроэлектрические станции не загрязняют окружающую среду. Они играют также важную роль в энергетических системах. В особенности важно их свойство практически мгновенно реагировать на изменения спроса на энергию: вечерние и утренние пиковые нагрузки в энергосистемах, связанные с повседневной жизнью людей, наиболее эффективно покрываются гидроэлектростанциями. Развитие орошения во многих районах мира невозможно без создания водохранилищ. Водохранилища на крупных реках улучшают также условия навигации.
В экономически развитых районах мира плотины задерживают загрязняющие вещества, переносимые рекой, переводя их в донные отложения. В частности, по К.К.Эдельштейну, каскад водохранилищ Волги и ее бассейна эффективно выполняет эту важную геоэкологическую задачу.
Плотины с сопутствующими сооружениями (водохранилищами, ирригационными системами, гидроэлектростанциями, шлюзами и пр.) составляют важную часть стратегии развивающихся стран. В тропических условиях регулирование стока приносит дополнительные проблемы по сравнению со странами с умеренным климатом, поскольку режим водохранилищ и их воздействие на окружающую среду в сильной степени зависят от природных условий. Как только в тропическом районе возникает новое водохранилище, уровень заболеваний и смертности резко повышается: качество воды в водохранилище обычно хуже, вследствие замедленного водообмена, увеличения водной биомассы и пр. по сравнению с речной водой, что приводит к значительному росту заболеваний. Переносчики многих болезней, таких как малярия или шистосоматоз, находят для себя лучшие, чем раньше, условия существования, что приводит к резкому увеличению заболеваний.
В последние годы начали возникать водохранилища в зоне влажных экваториальных лесов, где дополнительно к уже перечисленным возникают новые геоэкологические проблемы. Первое крупное водохранилище в этой зоне это Тукуруи в Бразилии с ГЭС мощностью 8 млн квт. Водная растительность прекрасно развивается в условиях постоянного высокого притока тепла до такой степени, что на водохранилище поверхности воды практически не видно. Последующее разложение отмирающей водной биомассы поглощает из воды весь растворенный там кислород и приводит в конце концов к анаэробному разложению оставшейся биомассы с выделением весьма ядовитого сероводорода. Заметно возросло также число случаев заболеваний одним из видов энцефалита со смертельным исходом. Подобные условия существуют также в Суринаме, где на относительно небольшом водохранилище Брокопондо запах сероводорода столь силен, что операторы на ГЭС вынуждены работать в противогазах.
В ряде случаев, в особенности в развивающихся странах, интересы местного приречного населения не учитываются при планировании развития водного хозяйства. Один из американских исследователей пишет, что большие плотины в Африке это классический пример того, как городские жители проектируют плотины с главной целью производить энергию почти исключительно для городской же промышленности. Обследование пяти небольших водохранилищ в Кении и Зимбабве показало, что местное население не получает никаких выгод от вновь появившихся водоемов, таких как качественное водоснабжение, канализация, электричество или увеличение продуктов питания.
В научной литературе, и в особенности в средствах массовой информации мира, публикуется много заявлений с оценкой (зачастую голословной) эффективности тех или иных осуществленных проектов гидротехнических сооружений, как правило, с отрицательными выводами.
Однако, строгих научных оценок пока почти не сделано. В особенности сложно оценить экономический эффект больших плотин и водохранилищ, не говоря уже об интегрированном экологоэкономическом эффекте. Можно сказать, что водохранилища выполняют свою задачу, увеличивая водные ресурсы. С другой стороны, они приносят много неблагоприятных последствий. Поэтому 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.
В случае СССР и современной России затруднительно сказать, каков же итоговый эффект наших плотин и водохранилищ, в основном расположенных на равнине, поскольку имеются как значительные плюсы, так и минусы. Развитие водного хозяйства в СССР и России шло по экологически неустойчивому пути. Вероятно, если бы строительство каскадов водохранилищ на равнинных реках России производилось сейчас, то высота плотин была бы ниже и, соответственно, площадь затапливаемых земель меньше, и неблагоприятные геоэкологические последствия были бы значительно сокращены по сравнению с тем, что мы имеем.
Многие отрицательные последствия строительства плотин и водохранилищ являются серьезным аргументом против их дальнейшего развития. Однако необходимо помнить, что водохранилища - важнейшее средство увеличения объема возобновимых водных ресурсов. В процессе принятия решения о строительстве новой плотины необходимо тщательно взвесить все “за” и “против”, причем универсальной методики оценки не существует, и потому к анализу необходимо привлекать не только необходимые инженерные, экологические и пр. знания, но и изрядную долю воображения и здравого смысла. Окончательное решение это всегда компромисс между инженерными, экономическими и экологическими целями проекта. Всеобъемлющая экспертиза крупного гидротехнического проекта - дорогостоящее занятие, но сами проекты намного дороже, рассчитаны не менее чем на сто лет, и последствия неправильного решения могут оказаться глубокими и долговременными. Мы уже имеем много примеров этого из практики нашего российского водного хозяйства.
В настоящее время имеются примеры переоценки эффективности некоторых гидротехнических схем, осуществленных в предшествующие десятилетия. Например, по Проекту бассейна р. Теннесси в США (Tennessee Valley Authority) в 1930-х гг. было построено около 20 плотин с водохранилищами. Предполагалось, что эта схема обеспечит дешевую энергию, улучшит условия судоходства и защиту от наводнений, и в целом создаст основу для успешного экономического развития. Проект обычно считался хорошим примером успешного решения проблем регионального развития. Более глубокий анализ показал, что осуществленный проект не принес ожидаемого материального благополучия в этот регион.
Глубокий анализ геоэкологических последствий сооружения Асуанской плотины на Ниле в Египте выполнен иностранным членом РАН Г.Уайтом (США), который не пришел к однозначной оценке последствий. Вследствие летних (июнь-сентябрь) дождей в бассейне Нила, ежегодно формируется половодье, всегда игравшее благотворную роль в становлении и развитии Египта и его цивилизации. Половодье орошало поля и приносило на них плодородный ил. В настоящее время ил задерживается плотиной, и плодородие почв должно поддерживаться посредством применения минеральных удобрений. Нильская вода аккумулируется в водохранилище, которое регулирует объем доступных водных ресурсов с последующим их использованием для орошения и производства электроэнергии. В конце 1970-х гг. Асуанское водохранилище удержало несколько весьма высоких и потому очень опасных половодий. Наоборот, в середине 1980-х гг. было семь лет подряд, когда объем половодья Нила был намного ниже среднего. При этом в каждый маловодный год дефицит воды, необходимой для орошения полей Египта, пополнялся из Асуанского водохранилища. Таким образом, водохранилище предотвратило крупнейшую катастрофу. Страна была буквально спасена от голода, экономических трудностей и политической нестабильности.
Строительство крупных и сверхкрупных гидротехнических систем, включая водохранилища, по-видимому, достигло пика в третьей четверти XX в. 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. Янцзыцзян в Китае и осуществление огромного Юго- Восточного Анатолийского проекта интегрированного развития, включающего комплекс из 22 плотин, 19 ГЭС и оросительных систем площадью 1,7 млн. га в верхней части бассейнов рек Евфрат и Тигр в Турции.
Причины, по которым сооружение водохранилищ в мире замедлилось, разнообразны. Во многих развитых странах все приемлемые для строительства плотин места уже использованы, а оставшиеся не подходят по экономическим или политическим соображениям. Это верно и для Европейской части России и Урала. В США за последние два десятилетия не построено ни одного крупного водохранилища. Руководство Бюро мелиораций США, осуществлявшего основную часть строительства плотин и водохранилищ, в 1995 г. приняло решение прекратить их дальнейшее сооружение, поскольку приоритеты американского общества изменились, и плотины с водохранилищами более не рассматриваются в качестве приоритетных.
Среди причин замедления темпов строительства водохранилищ в мире - высокая стоимость строительства и переселения жителей из зоны затопления, большие потери земельных ресурсов высокого качества, серьезные и плохо предсказуемые геоэкологические последствия, глубокие изменения гидрологического режима в верхнем и нижнем бьефах плотин, нарушение установившегося уклада жизни и хозяйства, несовместимость интересов различных социальных групп населения, которые могли быть затронуты в результате строительства.
