Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Водохранилища и сток 15
1. Процесс стока 15
2. Назначение водохранилищ 19
3. Морфологическая классификация водохранилищ 28
4. Природные и антропогенные факторы формирования гидрологической структуры долинных водохранилищ 40
Глава 2. Морфологические и морфометрические особенности долинных водохранилищ 52
1. Морфометрические показатели 52
2. Размеры водохранилищ и положение их в речных системах 58
3. Анализ формы батиграушческих кривых 68
Глава 3. Геометрическая модель поименно-долинного водохранилища 86
1. Постановка задачи 86
2. Морфометрический анализ усеченной трапецеидальной призмы 89
3. Сопоставление модели с реальными водоемами 96
4. Рекомендации по использованию модели для решения теоретических и прикладных задач 105
Глава 4. Водный баланс 111
1. Структура среднего за многолетний период годового водного баланса 111
2. Географические закономерности размещения водоемов с различным типом водного баланса 123
3. Годовой водный баланс 131
4. Внутригодовая изменчивость составляющих водного баланса 143
Глава 5, Режим уровня воды 154
1. Абсолютные колебания уровня 154
2. Типы режима 164
3. Зонирование лода водохранилища 172 Глава 6. Водообмен 179
1. Показатели интенсивности водообмена 179
2. Водообмена и течений в водохранилищах долинного типа 196
3. Оценка влияния водохранилищ на водообмен речных систем 205
Глава 7. Гидрологическая структура долинных водохранилищ 212
1. Понятие о гидрологической структуре водоемов, типы водных масс и их показатели 212
2. Гидрологическая структура морфологически различных водохранилищ 222
Русловые 222
Поименно-долинные 225
КотлоЕинно-долинные 243
3. Неоднородность полей характеристик в основных элементах гидрологической структуры 251
Методы экспериментальных исследований в водохранилищах 251
Ядро водной массы и зона ее трансформации 253
Фронтальная зона 258
Глава 8. Гидрологические основы локального прогноза качества воды в долинных водохранилищах 272
1. Гидрологическая модель формирования водных масс 272
2. Методика расчета генетического состава воды 277
3. Результаты ретроспективных и прогностических расчетов 285
Глава 9. Роль плотности воды в формировании гидрологической структуры долинного водохранилища 307
1. Плотность пресных вод гидрокарбонатного класса 307
2. Режим плотности воды в долинном водохранилище 316
3. Селективный сброс воды из водохранилища 326
4. Устойчивость массы воды в долинных водохранилищах 328
Глава 10. Трансформация речного стока водохранилищами 342
1. Анализ оценок воздействия водохранилищ на сток 342
2. Методика детальных балансовых исследований изменения состава стока в долинном водохранилище 350
3. Результаты комплексных исследований трансформации речного стока долинным водохранилищем 355
Заключение 365
Литература 369
Приложение 404
- Природные и антропогенные факторы формирования гидрологической структуры долинных водохранилищ
- Рекомендации по использованию модели для решения теоретических и прикладных задач
- Географические закономерности размещения водоемов с различным типом водного баланса
- Методика детальных балансовых исследований изменения состава стока в долинном водохранилище
Введение к работе
С развитием человеческого общества возрастает потребность в пресной воде. Главным ее источником на Земле, непрерывно возобновляющимся в процессе глобального влагооборота, служит речной сток. Однако свойственная ему пространственно-временная неравномерность становится все более сдерживающим фактором промышленного и сельскохозяйственного производства. Водохранилища служат главным средством регулирования речного стока для обеспечения водой промышленности и сельского хозяйства, водоснабжения крупных населенных пунктов и предотвращения наводнений, способствуют рациональному использованию природных ресурсов страны, предусмотренному решениями ХХУІ съезда КПСС и постановлениями ЦК КПСС и СМ СССР.
За последние десятилетия темп сооружения водохранилищ в развитых в промышленном отношении странах возрос в 3-5 раз. Число водохранилищ на Земле превысило 15 тысяч при суммарной емкости более 5,5 тыс.км3; в перспективе темп сооружения водохранилищ сохранится столь же высоким. В связи с потребностью все более полного управления речным стоком следует ожидать, что в будущем при возрастающей ценности земельных ресурсов увеличение числа водоемов будет происходить в основном за счет долинных водохранилищ сравнительно небольшого размера в верховьях речных систем. Ддя проектирования и эксплуатации таких водоемов необходима разработка теории формирования их гидрологического режима и соответствующих методов расчета и прогноза.
Это важно не только для решения упомянутых насущных проблем водного хозяйства, но и для оценки воздействия водохранилищ
на речной сток и их взаимодействия с окружающей средой. Создание водохранилищ - особенно активная форма вмешательства человека в локальные и региональные природные процессы. Вместе с тем оно ведет к. замедлению водообмена в речных системах, к коренному изменению режима континентального звена глобального круговорота воды и содержащихся в ней веществ. Вовремя оценить масштаб этого явления и предвидить его последствия - насущная общегеографическая проблема.
Состояние изученности проблемы. Современный этап развития гидрологии водохранилищ характеризуется быстрым накоплением данных о режиме отдельных водохранилищ. Ведутся исследования в нескольких взаимосвязанных направлениях. Водохозяйственные исследования базируются на теории регулирования речного стока и данных многолетних гидрометрических наблюдений за стоком, а их результаты используются в качестве научной основы водохозяйственных разделов гидротехнических проектов. В нашей стране это направление формировалось и развивается работами В.Г.Глушкова, Д.Л.Соколовского, С.Н.Крицкого, Ы.Ф.Менкеля, м.Ф.Плешкова, II.А. Кэртвелишвили, Д.и.Ратковичэ, А.Ы.Резниковского, Г.Г.Сванидзе и др. Географическое направление, сформированное С.л.Вендровым, решает сложные проблемы рационального размещения и хозяйственного использования водохранилищ, влияния водохранилищ на природу, население и хозяйство окружающих территорий, разрабатывает научные осноеы охраны водных ресурсов водохранилищ и окружающей их среды. Это направление сейчас успешно развивается в Институте водных проблем АН СССР, где особое внимание уделяется экономико-географическим и природоохранным аспектам. Физико-географические исследования водохранилищ ведутся в Пермском университете под руководством Ю.М.матарзина с целью изучения формирова-
ния и развития водохранилищ как новых географических комплексов, взаимодействующих с окружающими ландшафтами. Взаимосвязано с географическим направление, решающее проблему изучения и прогноза формирования берегов (труды Г.С.Золотарева, Е.Г.Качугина, Н.К.Кондратьева, Й.А.Печеркина, Д.П.Финарова и др.).
Химико-биологические исследования ведутся для изучения химического состава воды, флоры и фауны, для прогноза питьевых качеств воды и рыбопродуктивности водохранилищ. В этом направлении работают крупные коллективы ряда академических учреждений (Институт биологии внутренних вод, Институт водных проблем, Лимнологический институт СО АН СССР, Институт гидробиологии АН УССР и др.), институтов Минрыбхоза, Минводхоза, Госстроя, Госкомгид-ромета и других ведомств, а также вузов (Московский, Киевский, Пермский, Иркутский, Калининский и другие университеты, некоторые педагогические институты).
Развивается и собственно гидрологическое направление, посвященное изучению морфометрии, водного режима, динамики вод, температурного режима, баланса воды и тепла, взвесей. К настоящему времени накоплены многочисленные материалы наблюдений на отдельных, преимущественно крупных водохранилищах учреждениями Госком-гидромета и экспедициями других организаций. Методика этих исследований и первые обобщения изложены в ряде монографий, посвященных отдельным вопросам гидрологии водохранилищ: водному балансу (Нежиховский, 1976, Никулина, 1979), течениям и водообмену (Ка-раушев, I960, Филатова, 1972, Знаменский, 1981), ледово-термическому режиму и тепловому балансу (Пиотрович, 1968, Кириллова, 1970, Донченко, 1971, Российский, 1975, Готлиб, Жидких, Сокольников, 1976).
В последние годы опубликованы монографии по гидрологии
ряда водохранилищ нашей страны, в которых с разной степенью полноты отражены результаты исследований в перечисленных выше направлениях (серия книг "Гидрометеорологический режим озер и водохранилищ", "Рыбинское водохранилище и его жизнь","Иваньковское водохранилище и его жизнь", "Куйбышевское водохранилище", "Можайское водохранилище", "Водохранилище Боткинской ГЭС на р.Каме" и др.). Первым опытом более широкого обобщения материалов по гидрологии водохранилищ Волги следует считать монографию Н.Б.Бутори-на (1969), а также первое учебное пособие по спецкурсу "Гидрология водохранилищ" под редакцией Ю.М.матэрзина (ьіатарзин, Богословский, Мацкевич, 1977а, 19776, 1978, 1981). Тем не менее, как справедливо указывают авторы этого пособия, "теория, отражающая специфику новых водных объектов, отсутствует" (1977а, стр.24). Главной причиной этого, по их мнению, служит "молодость" этих водных объектов. В то же время необходимость разработки теоретических основ гидрологии водохранилищ с каждым годом ощущается все острее. Она нужна для создания научно обоснованных методов прогноза режима проектируемых водохранилищ, разработки рекомендаций по повышению эффективности эксплуатации уже созданных водохранилищ, а также для успешной подготовки кадров гидрологов.
Цель работы - выявить географические закономерности, определяющие особенности водного режима долинных водохранилищ и механизма формирования их гидрологической структуры, разработать научные основы оптимизации режима таких водоемов, базирующиеся на прогнозе качества воды в отдельных их районах, и количественной оценки воздействия водохранилищ на речной сток.
Для достижения этой цели нужно было решить следующие задачи: I) исследовать моршометрические особенности долинных водохранилищ на основе изучения строения их ложа;
установить особенности внешнего и внутреннего водообмена, обусловленные географическим положением и структурой водного баланса, режимом регулирования стока гидроузлами и формой ложа водохранилищ;
изучить процесс формирования гидрологической структуры долинных водохранилищ, т.е. закономерного распределения в них генетически и качественно разнородных водных масс, и динамику этих масс;
разработать модели и методы расчета морфометрических характеристик, водообмена и гидрологической структуры долинных водохранилищ для прогнозирования питьевого и технологического качества воды в них;
изучить возможности управления процессом формирования качества воды в водохранилищах путем регулирования их водного режима и выполнить оценку трансформации речного стока в долинном водохранилище.
В диссертации использованы результаты исследований, выполнявшихся автором в 1958-1966 гг. по плану научно-исследовательских работ Института биологии внутренних вод АН СССР, а с 1967 г. - по плану важнейших научно-исследовательских работ МГУ по межфакультетской тематике. Эти работы включены в план научных исследований АН СССР на I98I-I985 гг. по водной проблеме 3.6.2.1. "Исследование формирования качества вод суши в условиях меняющегося водообмена и развивающейся хозяйственной деятельности".
Методика исследований. В основу работы положены личные наблюдения и материалы исследований Рыбинского и Горьковского водохранилищ, водохранилищ системы водообеспечения г.Москвы: Можайского, Рузского, Озернинского, Истринского, Вазузского, Яузского, Ьерхне-волжского и Иваньковского, а также Угличского, Куйбышевского,
Волгоградского, Цимлянского и Зейского водохранилищ, выполненных в 1958-1982 гг. с участием или под руководством автора.
Для изучения гидрологической структуры водохранилищ автором были организованы:
экспериментальные исследования в форме квазисинхронных съемок водоемов или отдельных полигонов на Горьковском, Рыбинском и Можайском водохранилищах;
балансовые исследования на Можайском водохранилище, которое рассматривается в качестве типичного долинного водохранилища многолетнего регулирования стока; из-за наличия подробной картографической основы и весьма, полной гидрометрической изученности стока с водосбора оно может считаться природной моделью крупных глубоководных долинных водохранилищ лесной зоны нашей страны.
При анализе и обобщении материалов использовались методы математического моделирования формы водоемов, явлений и процессов, протекающих в них, картографирования и статистической обработки данных по водохранилищам мира, материалов полевых наблюдений и лабораторных анализов проб воды.
Научная новизна. Разработаны морфологическая и воднобалан-совая классификации водохранилищ мира; экспериментально установлено и теоретически обосновано существование сложной структуры вод в долинных водохранилищах вследствие взаимодействия природных и антропогенных факторов, выяснен генезис и особенности сезонных изменений этой структуры; выделены типологические признаки долинного водохранилища как водного объекта особого класса, к которым отнесены удлиненная и асимметричная форма ложа, интенсивный и неравномерный водообмен и постоянная неустойчивость всей массы воды, проявляющаяся в виде плотностных течений; разработаны математические модели формы ложа долинного водохранилища, его водообмена
- II -
и формирования и размещения водных масс и соответствующие методы расчета, используемые как гидрологическая основа локального прогноза качества воды и оценки влияния водохранилищ на речной сток; уточнена оценка влияния водохранилищ на водный сток рек в океан и трансформации состава речных вод в долинном водохранилище.
Практическая значимость результатов и их реализация. Каждое водохранилище, проектируемое как инженерное сооружение, по завершении заполнения водой становится, как и любой другой водный объект суши, одним из звеньев процесса стока. Поэтому водный режим водохранилища определяется природными факторами, зависящими от географического положения водоема, и в то же время находится под сильным влиянием режима регулирования стока воды гидроузлами. Выполненными исследованиями этих техногенных водных объектов показано, что:
- при проектировании водохранилищ необходимо учитывать:
а) ограниченность возможности управления водным режимом водохра
нилищ, которая определяется структурой многолетнего водного балан
са и зависит от выбора местоположения водоема в речной сети и его
параметров. Ответственность такого выбора велика потому, что пре
образование этой структуры возможно лишь в той мере, в которой
допустимо изменение величины удельного водосбора водохранилища
путем межбассейновых перебросок стока или пересмотра отметки НПГ;
б) неизбежность некоторого ухудшения питьевых качеств воды в лет
нюю и зимнюю межень при глубоком регулировании речного стока во
дохранилищами, что следует иметь ввиду при оценке экономической
эффективности различных вариантов развития централизованного во
доснабжения и водоподготовки на водопроводных станциях;
в) явление плотноетного течения, свойственное водохранилищам до
линного типа, представляющего опасность при использовании этих
водоемов для разбавления недоочищенных сточных вод;
- при эксплуатации водохранилищ в качестве источников водо
снабжения наряду с диспетчерским графиком регулирования стока
необходимо руководствоваться оперативной информацией о составе
воды в различных районах водохранилища, а также локальными прог
нозами качества воды; принципиально возможно управлять в ограни
ченных пределах параметрами качества воды в верхнем и нижнем
бьефах гидроузлов относительно глубоководных водохранилищ путем
маневрирования расходом воды через придонные и поверхностные
водосбросные сооружения.
Для возможности реализации указанных выше практических рекомендаций в диссертации разработаны:
метод расчета батиграфических кривых долинных водохранилищ, базирующийся на геометрической модели формы их ложа. Этот метод может быть применен на стадии проработки первоначальных вариантов схем размещения водохранилищ для оценки удельных затоплений, относительных размеров площадей мелководий и прочих водохозяйственных показателей, для общих и локальных прогнозов качества воды в долинных водохранилищах. Аналитическое выражение формы батиграфических кривых водохранилища удобно для решения разнообразных гидрологических задач с использованием ЗВіїі. Указанный метод уже нашел применение для определения запаса воды в долинных водохранилищах по данным аэрокосмической информации;
номограмма для приближенной оценки структуры водного баланса зональных водоемов в любых районах Земли в случае отсутствия необходимых гидрометеорологических наблюдений;
методика зонирования ложа долинных водохранилищ, которая нашла применение при оценке продуктивности донных биоценозов -главной кормовой базы ихтиофауны долинных водоемов;
- ІЗ -
- методика прогноза гидрологической структуры водоема долин
ного типа и оценки влияния водохранилищ на речной сток, использо
ванная при прогнозе качества воды в водохранилищах Вазузской гид
ротехнической системы, при разработке рекомендаций, включенных в
"Схему улучшения технического состояния и благоустройства водохра
нилищ Волжского и Москворецкого источников водоснабжения г.Москвы";
- методика расчета плотности пресных вод с учетом их электро
проводности, которая включена в методическое пособие "Лимнологи
ческая практика" (Эдельштейн, 1972) и в "Рекомендации по инженерно-
гидрометеорологическим изысканиям на водохранилищах для строи
тельства".
Разработанные автором положения о гидрологической структуре и морфологических особенностях долинных водохранилищ включены в учебные пособия для вузов; результаты исследования используются в читаемом автором курсе "Гидрология озер и водохранилищ" на Географическом факультете МГУ и положены в основу программы учебной лимнологической практики студентов, а также включались автором в лекции на Международных высших гидрологических курсах ЮНЕСКО при МГУ.
Все основные результаты исследования опубликованы в центральных и республиканских научных изданиях.
Апробация работы. Результаты исследования были представлены и обсуждались на I, П и У Всесоюзных совещаниях но круговороту вещества и энергии в водоемах (Лиственичное на Байкале, 1964, 1969, 1981), I и Ш Всесоюзных конференциях по изучению водоемов бассейна Волги (Тольятти, 1968, 1981), ХУШ Конгрессе Международной лимнологической ассоциации (Ленинград, 1971), ХХ11 Международном географическом конгрессе (Канада, Монреаль, 1972), ІУ и У Всесоюзных симпозиумах по современным проблемам самоочищения и регулирования качества воды (Таллин, 1972, 1975), Всесоюзной конференции "Научные
основы управления процессами, влияющими на качество воды в водоемах, являющихся основными источниками водоснабжения" (Москва, 1970), ІУ Всесоюзном гидрологическом съезде (Ленинград, 1973), географической секции научной конференции "Ломоносовские чтения" (МГУ, 1972, 1979, 1983), Научной конференции "Итоги и задачи изучения водоемов Московской области" (Москва, 1974), Всесоюзной конференции по вопросам гидрологического приборостроения (Ленинград, 1974), Всесоюзной научной конференции по проблемам комплексного использования и охраны водных ресурсов Волги (Пермь, 1975), заседаниях Московского филиала Географического общества СССР (1976, 1980), Всесоюзном совещании "Комплексное изучение и рациональное использование природных ресурсов Верхневолжья" (Калинин, 1980), заседании Ученого Совета естественных факультетов МГУ (1981), Ш Дальневосточной региональной научно-практической конференции (Владивосток, 1981), расширенном заседании секции "Использование и охрана водных ресурсов ETC"-. Научного совета "Комплексное использование и охрана водных ресурсов" ГКНТ СССР (Москва, 1982), конференции "Гидрологические исследования и водное хозяйство в бассейне реки Москвы" (Москва, 1983), Ш Всесоюзном симпозиуме по антропогенному эвтрофированию природных вод (Москва, 1983).
В полном объеме диссертация доложена и обсуждена на научном семинаре кафедры гидрологии суши Географического факультета МГУ, на заседании этой кафедры, на заседании гидрометеорологического отделения Совета этого факультета и на расширенном заседании лаборатории гидрологии и гидрохимии института биологии внутренних вод АН СССР.
Диссертационная работа состоит из введения, десяти глав и заключения, изложенных на 288 страницах машинописного текста и содержит 72 иллюстрации, 20 таблиц и 22 таблицы приложения. Список цитируемой литературы включает 350 наименований.
Г л а в з I. ВОДОХРАНИЛИЩА И СТОК I. Процесс стока.
Важнейшей особенностью географической оболочки Земли, наряду с радиационным (энергетическим) балансом и жизнью во всех ее проявлениях, служит глобальный круговорот воды. По современным представлениям, этот процесс состоит из совокупности взаимодействующих разномасштабных гидрологических циклов - влагообмена между океаном и сушей, охватывающего весь земной шар вместе с его тропосферой, и множества локальных влагооборотов в пределах сравнительно крупных регионов, представляющих собой океаны, моря, континенты или отдельные их частиv
Главным энергетическим источником, вызывающим и поддерживающим этот постоянно соверающийся влагооборот, служит поглощаемая нашей планетой солнечная радиация. Вследствие преобразования этой энергии происходит испарение воды и перенос водяных пэров в атмосфере. .Не меньшее значение в гидрологическом цикле имеет гравитация - сила, возвращающая на поверхность Земли в виде атмосфер-.ных осадков конденсирующуюся в воздухе влагу. Эта же сила активно участвует в формировании океанической циркуляционной системы течений, и, наконец, она вызывает перемещение воды по поверхности суши и ее водоносным горизонтам обратно в океан и другие бессточные впадины Земли. Именно это континентальное звено глобального круговорота воды и принято сейчас называть стоком.
Полвека назад С.Д.Муравейским (1936) предложено более широкое толкование этого понятия. "Сток, писал он, - это сложный процесс, определяющий взаимоотношения между океаном и водами суши, процесс обмена водных масс океана и суши, процесс исторический,
в котором факторы геологические, географические, физические, химические, биологические не только определяют самый обмен и его характер, но и обусловливают круговорот веществ во всем процессе стока и в каждом водоеме (водном объекте) в частности" (Ыуравей-ский, I960, стр.57). Это определение не привилось в гидрологии, появились почти адекватные термины "глобальный водооборот" и "гидрологический цикл" (Калинин, 1968, Давыдов, Дмитриева, Конкина, 1973, Мировом водный баланс ..., 1974, 7esctgoo&J, 1974, Важ-нов, 1976). Причиной этого, видимо, послужило противоречие этимологии слова "сток" ("стекать", обязательно с более высокого места в пониженное) и вкладывавшегося в него понятия двустороннего обмена водой между океаном и сушей.
Не принимая формулировки понятия "сток", предложенной СД. Муравейским, в то же время нельзя забывать об особенно важной для гидрологии его идеи. Она состоит в том, что глобальный обмен совершается не просто водой, а водными массами, содержащими вместе с водой целый спектр растворенных и взвешенных в ней минеральных и органических веществ, а также живых организмов. Это, - по мнению автора, - главное в учении С.Д.Муравейского о стоке, необходимое для понимания как общегеографических закономерностей развития природных процессов на Земле, так и для решения более частных гидрологических проблем.
Благодаря уникальным физическим и химическим свойствам природная вода служит мощным аккумулятором и носителем солнечной энергии в виде тепла и продуцируемого в ней органического вещества, продуктов денудации суши, которые вовлекаются ею в процесс глобального обмена как в масштабах отдельных живых организмов, ландшафтов, регионов, континентов и океанов, так и всей Земли в целом. Эта роль воды столь важна для функционирования географи-
- I? -
ческой среды, что А.і^.Криволуцкий (1977) достаточно убедительно обосновал необходимость использовать воду, точнее северу проявления глобального водооборота (гидрологического цикла.) в качестве критерия для определения границ геоградической оболочки Земли.
Гидрологический цикл, если не затрагивать здесь весьма специфического водообмена жиеых организмов со средой, состоит из трех взаимосвязанных фаз - влэго - и солепереносэ в атмосфере, включающего и процесс вымывания из нее веществ осадками, стока с суши и динамики мирового океана. В частных циклах (внутріматериковий или океанический круговороты воды) одна из двух последних фаз отсутствует. Таким образом, сток - это континентальная фаза процесса глобального обмена веществом и энергией, совершающаяся путем перемещения водных масс по поверхности суши (поверхностный сток) и внутри нее (подземный сток) под действием силы тяжести.
Употребление в предлагаемом автором определении стока понятия "водная масса" (вместо слова "вода") имеет целью подчеркнуть отмеченную С.Д.Муравейским главную особенность воды, образующей гидрологический цикл: природная вода - это сложный раствор, содержащий разнообразные минеральные и органические вещества, коллоиды, взвеси, водные организмы, комплекс количественных соотношений которых и определяет качественную специфику каждой из водных масс. В процессе стока эти водные массы находятся в состоянии постоянного обмена несомыми ими веществами и заключенной в них энергией между собой, а также с окружающей их средой. Этот обмен совершается не только из-за турбулентного характера поступательного движения воды под действием силы тяжести, но и благодаря энергии, возбуждающей и поддерживающей протекающие в водных массах и взаимодействующих с ними средах физические, химические и биологические процессы.
Сток, зарождаясь на водосборе из атмосферных осадков, наследует свойственную им нрко выраженную внутрисуточную, сезонную и многолетнюю изменчивость. Она особенно велика в тех географических зонах или высотных поясах, где имеется сезонное чередование выпадения жидких и твердых форм осадков. Эта изначальная изменчивость стока может усиливаться либо сглаживаться в каждом конкретном участке водосбора в зависимости от преобладания той или иной его формы: поверхностно-склонового стока, внутрипочвен-ного, грунтового (стока по водоносным горизонтам материнских пород), руслового, внутриводоемного и т.п. Скорость и характер перемещения вод и их обмена веществом с окружающей средой в каждой из этих форм стока совершенно различны. Этим обусловлены не только изменения режима, стока по отношению к режиму питающих его атмосферных осадков, но и качественные различия водных масс разного генезиса, т.е. некоторых объемов воды относительно однородных по своему составу и сформировавшихся в определенных природных условиях.
Помимо отмеченных двух особенностей - изменчивости во времени и качественной неоднородности - сток обладает еще и третьей не менее важной чертой - пространственной неравномерностью. Она также возникает из-за различий в слое атмосферных осадков и слое испарения в отдельных районах и географических зонах земного шара. Кроме того, эта неравномерность усугубляется благодаря свойственной процессу стока территориальной концентрации. Как показал Л.Д.Курдюмов (1977), эта концентрация - следствие взаимодействия турбулентного водного потока с неровной и неоднородной в отношении эрозии поверхностью суши. В результате процесса территориальной концентрации стока образуются сложные гидрографические системы, включающие временные водотоки, реки, болота, озера
и т.п. "Поверхностный сток в целом, - писал С.д.Муравейский (I960, стр. 83), - представляет собой систему водоемов, и биогидрологическая структура каждого такого водоема будет определяться местом, которое он занимает в системе стока". Функции отдельных звеньев гидрографической сети различны. Болота и озера из-за свойственного им замедленного водообмена служат естественными регуляторами стока, в то время как водотоки представляют собой гидрографические объекты пульсирующего (из-за чередования многоводных и меженных фаз режима) транзитного стока.
Таким образом, как сток есть одна из трех фаз глобального обмена веществ, так и каждый континентальный водный объект, в свою очередь, представляет собой одно из многочисленных звеньев единого процесса стока, участвующее одновременно и в локальных гидрологических циклах разного масштаба, и в общем глобальном круговороте природных вод. Поэтому и водный режим, и закономерная смена водных масс в водоемах суши есть внешнее проявление процесса стока, испытывающего все более ощутимое влияние человеческой деятельности.
2. Назначение водохранилищ.
Три отмеченные особенности процесса стока - изменчивость объема стока во времени непостоянство его состава и неравномерность его территориального распределения - с каждым десятилетием становятся все более заметным препятствием повсеместно быстро растущему водопотреблению. Стремительность роста затрат воды в основных водоемких отраслях мирового хозяйства, показывают данные, опубликованные в книге "Мировой водный баланс ..." (1974). Из сопоставления приведенных в ней цифр с данными М.й.Львовича (1973) о меженном речном стоке следует, что в настоящее время человечество расходует более 20 % объема устой-
чивого стока, а к 2000 г. ожидается увеличение водопотребления до 50 %. По мнению Г.П.Калинина (1968), через столетие, в конце XXI века общее водопотребление может достичь величины всего современного стока - ежегодно возобновляемого в глобальном круговороте источника пресной воды.
Одновременно с ростом водопотребления увеличивается и загрязнение природных вод. Около половины потребляемой воды испаряется, а остальная часть возвращается в гидрографические системы в виде сточных вод, для разбавления которых даже после их очистки в настоящее время требуется в среднем в 4 раза больший расход чистых вод. Развитие этих взаимосвязанных процессов -водопотребления и загрязнения - ведет к острому дефициту пригодной к использованию пресной воды пока только в отдельных районах, но число и размеры таких районов быстро возрастают в большинстве стран мира.
С целью планомерного использования воды в хозяйстве создаются водные объекты, предназначенные для накопления запаса воде и ее хранения или для сброса и утилизации отработанных и загрязненных вод. По способу аккумуляции воды такие сооружения следует делить на искусственные водоемы с открытой водной поверхностью и подземные хранилища воды (рис. I.I).
Первая из этих двух категорий хранилищ воды включает водоемы различного назначения: водохранилища, пруды, водоприемники. Главное назначение водохранилищ - регулирование речного стока, поэтому замыкающие их гидроузлы оборудуются устройствами, предназначенными для регулирования расхода воды из водоема в расположенные ниже участки гидрографической сети.
Отличительной чертой прудов, по мнению автора, следует считать не только (и не столько) их малые размеры - но ГОСТу
Водохранилища
Сооружения для накопления воды
Искусственные водоемы
У I "^
-^—
Подземные хранилища воды
Пруды
Водоприемники
Резервуары
(подземные
полости)
Насыщаемые водой горизонты
горных пород
Рис.1.1. Искусственные водные объекты для хранения воды.
Годы
Wkms 50013
Рис.1.2. Рост числа (П/) и емкости ( W" ) крупных водохранилищ в СССР (а) и во всем мире (б) ("Водохранилища мира", 1979).
- ~гг -
19179-73 "Гидрология суши. Термины и определения", "пруд - это мелководное водохранилище площадью не более I км ", - но и их иную, в сравнении с водохранилищами, функциональную роль: пруды - это сооружения пассивного регулирования стока. Они устраиваются в бессточных копанях, на обвалованных участках местности, в балках и оврагах, а также на малых реках, запруживаемых плотинами либо глухими, либо с необорудованными затворами водосбросными отверстиями. Сток из них эпизодичен, возникает при достижении уровнем определенных отметок. Расход воды, вытекающей из пруда, как и в озерах, зависит от высоты уровня в водоеме. Подобный водный режим свойственен и рыбоводным прудам, а эпизодические сбросы воды из них регламентируются технологией разведения рыб.
К водоприемникам автором относятся искусственные водоемы, предназначенные для сбора дренажных вод мелиоративных систем, неочищенных сточных вод с целью ее испарения (они аналогичны бессточным озерам), а также всевозможные отстойные бассейны в системах очистки промышленных и коммунально-бытовых сточных вод, включая и так называемые "хвостохранилища".
Таким образом, приведенное выше смысловое значение термина "водохранилище" соответствует определению, предложенному Ю.Ы.Матарзиным, Б.Б.Богословским и И.К.Мацкевичем (1977а): "Водохранилище - антропогенное звено общего процесса стока, искусственный водоем, созданный на базе естественных (река, озеро и др.) или в специально созданных чашах (копани), новый водный объект с искусственно регулируемой по определенному плану емкостью и зеркалом, обладающий специфическими условиями формирования и гидрологического режима" (стр. 28). Оно, по мнению автора, может быть заменено не менее емким, но более кратким
определением: пЕоаохшнилище_-_это_возоем_с_ШГ ходом_воаып.
Необходимость все более полного использования основного источника природных пресных вод - речного стока, заставляет все активнее его регулировать посредством сооружения водохранилищ. Они позволяют не только перераспределять его во времени, но наряду с каналами служат важнейшими элементами трактов переброски воды из одного водосбора в другой.
Первые небольшие водохранилища - регуляторы стока начали сооружать для питьевого водоснабжения и орошения более 4,5 тыт. сяч лет назад в Египте, Месопотамии, Китае. Из действующих до сих пор водохранилищ древнейшим следует считать, по-видимому, построенное египтянами озеро Хомс на р.Аси в Сирии с объемом воды 200 млн.м3 (Бобров, 1975), возраст которого не менее 3300 лет. С начала промышленного производства стали создаваться небольшие водохранилища и в районах достаточного и избыточного увлажнения. Они использовались как источники гидравлической энергии и промышленного водоснабжения. Одновременно появились и водохранилища транспортного назначения, для регулирования уровня на судоходных и лесосплавных реках и каналах. К числу наиболее крупных из них в России относится построенные еще в ХУШ веке и действующие до сих пор водохранилища Вышневолоцкой системы - Вышневолоцкое (с 1719 г.) и др. Судя по каталогу Мартина и Хенсона {Mattirb a. Huns о si* , 1966), первыми единственным существующим сейчас водохранилищем ХУШ века в США следует считать мэссабезик ( Mcc$s>ctesi& &Сс&& ) вблизи г.Манчестер в штате Ныо-Гэмпшир. Площадь этого водоема, построенного приблизительно в 1738 г., около 10 км , а полезный объем 20 млн.м3.
С начала XX века гидроэнергетика становится наиболее мощным стимулом для сооружения водохранилищ в экономически развитых странах Европы и Сев.Америки. Большая роль отводилась ГЗС в ленинском плане ГОЭЛРО и в последующих планах развития энергетики и всего народного хозяйства нашей страны. С потребностями этой отрасли связан не только быстрый рост числа водохранилищ, но и резкое увеличение их объема, акватории, глубин (рис. 1.2). Это особенно стало проявляться в последние три десятилетия, когда были созданы большинство водохранилищ Волго-Камского, Днепровского, Ангаро-Знисейского каскадов и многие другие крупные водохранилища в нашей стране, в странах Северной и Южной Америки, Азии, гигзнтские водохранилища в Африке и т.д.
По данным Института водных проблем АН СССР (Водохранилища мира, 1979), к середине 70-х годов нашего столетия на Земле насчитывалось более 13 тысяч водохранилищ. Их суммарная емкость составляла около 5,5 тыс.км3, а общая площадь, включая и регулируемые озера, достигала 600 тыс.км2. Наибольшее число водохранилищ сооружено сейчас в США и СССР, много водохранилищ имеется в Китае, Канаде, Бразилии, Индии, Мексике, Испании и в ряде других стран.
Из данных табл. I.I следует, что хотя водохранилищами в США и СССР и занято уже около 0,6-0,8 % земельных ресурсов, а в наиболее промышленно развитых и густо населенных их территориях более 1,2 %, емкость водохранилищ еще далеко не достигла размеров^необходимых для полного регулирования речного стока (Бахтиаров, Вейнерт, 1975).
В обозримой перспективе снижения темпов строительства водохранилищ не ожидается. В США в ближайшие 30-40 лет
Примечание: общее число искусственных водоемов в СССР по состоянию на 1963 г. (Доманицкий, Дубровина, Исаева, І97іХв США - на 1973 г. (Мировой водный баланс..., 1974). Число водохранилищ в СССР объемом более I млн.м каждое и их параметры приведены по состоянию на І973 г. (Макаров, Бахтиаров, Финаров, 1975). Те же сведения по водохранилищам США (объемом более о млн.м каждое) подобраны по каталогу ( Mcztitn. &. нал$огг^ 1966). Величины стока рек СССР приведены по М.И.Львовичу (1971), рек США по Г.Г.Ландсбергу, Л.Л.Фишману и Да Л. Фишеру (1965), площадь территории трех основных гидрологических районов СЩА (без Аляски) подсчитана по данным Атласа мира (IVeг1944). Относительная емкость равна отношению полезного объема водохранилища к среднему многолетнему стоку.
предполагается утроить полезный объем водохранилищ, таковы ожидаемые темпы роста емкости водохранилищ и в Японии, стране с крайне ограниченными земельными ресурсами. Анализируя эти данные, а также планы сооружения водохранилищ в GGGP и других странах мира, А.Б.Авэкян (1973) считает, что к 2000 г. полный объем водохранилищ на Земле удвоится и достигнет 10-12 тыс.км3, а их общая полезная емкость составит не менее 6-7 тыс.км3.
Наряду со ставшими за многовековую историю регулирования стока традиционными формами использования водохранилищ в целях ирригации, коммунального и промышленного водоснабжения, регулирования уровня воды в судоходных и лесосплавных водных объектах, гидроэнергетики и защиты от наводнений, в настоящее время водохранилища сооружаются для водообеспечения тепловых и атомных электростанций, борьбы с загрязнениями, для рыбохозяй-ственного и рекреационного их использования. Для многих малых водохранилищ характерно целевое использование их водных ресурсов в интересах одной из перечисленных отраслей водного хозяйства, в то время как большинство водохранилищ среднего и крупного размера эксплуатируются одновременно многими водопотре-бителями и водопользователями.
Ввиду обостряющегося детицита чистой воды по мере развития общества заслуживает большого внимания мысль С.л.Вендро-ва (1970) о неизбежном дальнейшем изменении роли отдельных отраслей водного хозяйства в эксплуатации ресурсов пресных вод, в том числе и водохранилищ. Значение "временных" водопот-ребителей (энергетики, водного транспорта и лесосплава, большинства промышленных предприятий) по мере совершенствования технологии производства будет убьшэть, чтобы обеспечить раз-
- гі -
витие ирригации, коммунального-бытового водоснабжения, пищевой промышленности, рекреационного использования водоемов, относимых С.Л.Вендровым к "вечным" водопотребителям. многогранному анализу этих сложных экономико-географических проблем посвящена монография А.Б.Авзкянэ и В.А.Шарапова (1977). Здесь же эти проблемы лишь затронуты, поскольку еще на стадии проектирования водохранилищ их назначение предопределяет размеры будущих водоемов, их положение в той или иной гидрографической системе и вид осуществляемого с их помощью регулирования речного стока, что наряду с природными условиями водосбора и окружающей территории служит важнейшими факторами гидрологического режима водохранилищ.
В перспективе, е связи с упоминавшейся ожидаемой переоценкой значимости отдельных участников водохозяйственного комплекса, когда энергетика и водный транспорт начнут все более уступать ведущую роль водоснабжению, ирригации, рыбному хозяйству и рекреационному использованию водоемов, преимущественное развитие, в условиях все возрастающей ценности земельных ресурсов получат водохранилища небольших размеров в верхних звеньях речных систем. Это позволит при не менее высокой степени регулирования стока создать более гибкую систему управления ими, необходимую для удовлетворения противоречивых запросов водопотребителей, и потребует относительно меньших потерь земли. Так например, сравнение Берхневолжского каскада крупных водохранилищ и Москворецкой системы, состоящей из нескольких небольших водохранилищ в верховьях речного бассейна (Быков, Эдельштейн, 1972), показывает, что степень регулирования стока этими системами (по величине относительной емкости водохранилищ) одинакова при более чем вдвое меньших
удельных затратах плодородных пойменных земель в москворецком бассейне.
3. Морфологическая классификация водохранилищ.
В гидрологической литературе наиболее часто упоминаются два основных типа водохранилищ - речные и озерные (озерно-реч-ные). При этом одни авторы, относя водоем к тому или другому типу, стремятся учесть морфологию ложа водохранилища, другие -только форму водоема, его очертания в плане. Из таких классификаций наиболее известны, опубликованные Б.Б.Богословским (I960) и А.Б.Авакяном и Б.А.Шараповым (1977). Различия между ними вызваны, главным образом, смешением морфологических и гидрографических признаков, недостаточно строгим соблюдением генетического принципа. Более обоснованную в геоморфологическом отношении типизацию водохранилищ отдельных районов нашей страны можно встретить в статьях Б.Н.Рейзвиха (1967а), B.wl. Широкова (1971), С.А.Филя (1971), Е.Е.Минервиной (1972), С.Н. Неманишвили (1973). Отдельные элементы упомянутых классификационных схем использованы автором при разработке морфологической классификации водохранилищ мира, представленной впервые на У сессии Международных высших гидрологических курсов ЮНЕСКО при МГУ (Эдельштейн, 1975а). Более подробное обоснование разделения водохранилищ на три морфологических типа: долинные водохранилища, котловинные и смешанные, а каждого из них - на подтипы и виды (рис. 1.3) приведено в более поздней статье (Эдельштейн, 1977). Одновременно Ю.М.Матарзиным, Б.Б.Богословским и И.й.Мацкевичем (1977а) опубликована классификация водохранилищ по генезису котловин. Практическое совпадение обеих классификаций следует рассматривать как свидетельство достаточной объективности приводимой ниже морфологической классификации
водохранилищ мира.
К водохранилищам долинного типа автором отнесены водоемы, ложем которых служат участки речных долин. Их главная и характернейшая черта - уклон днища и связанное с этим увеличение глубин от верховьев к замыкающему водоем гидроузлу. Как правило, всем водохранилищам этого тина свойственна удлиненная, вытянутая форма. Поскольку долина как отрицательная форма рельефа выработана водным потоком, рекой, долинные водохранилища могут называться р е ч н ы -и и , независимо от того, насколько они проточны, извилисты, широки или сложны по своим очертаниям в плане. Из-за большого разнообразия типов речных долин (Щукин, I960, Важное, 1976) и разного подъема уровня воды в долине относительно ее морфологических элементов, водохранилища долинного типа, подразделены на три подтипа: русловые, поименно-долинные и котловинно-долинные, каждый из которых включает водоемы морфологически простые и сложные (см. рис. 1.3).
К русловым водохранилищам отнесены водоемы, образованные в результате создания подпора воды в пределах русла и низкой, прирусловой поймы. На равнинных реках -это небольшого объема, очень вытянутые, часто сильно извилистые водоемы, их берегами служат склоны и прирусловые еэлы высокой поймы. Поэтому их береговая линия слабо изрезана, а ширина относительно постоянна. Такие водоемы сооружаются на участках рек, приток в которые зарегулирован вышележащими водоемами. Поэтому на этих участках не бывает высоких половодий, при которых могло бы происходить затопление высокой "луговой" поймы. Характерным примером руслового водохранилища может служить Перервинское в г.йіосісеє. Его объем всего
ВОДОХРАНИЛИЩЕ т/и п
ДОЛИННЫЙ
СМЕШАННЫЙ
поЗгти п
КОТЛОВИННЫЙ
РУСЛОВОЙ
03ЕРН0-КОТЛОВИННЫЙ
КОТЛОВИННО-ДОЛИННЫЙ
пг^т
ПОИМЕННО-ДОЛИННЫЙ
разновидное т,ь
ДЕПРЕС-СИОННЫЙ
ч,
КОТЛОВАННЫЙ
Рис.1.3. Морфологическая классификация водохранилищ мира. I - морфологически простые, 2 - морфологически сложные водоемы.
- ЗІ -
50 млн.м3 (Рябышев, 1973), наибольшая глубина менее 9 м, длина около 4 км, коэффициент извилистости достигает значения 2,1. К русловому подтипу долинных водохранилищ отнесены и водоемы на горных реках, созданные в пределах каньонов.
Простые по й м е н н о - д о л и н н ы е водохранилища образуются при затоплении не только низкой, но и высокой поймы бесприточного участка речной долины или участка, не имеющего крупных притоков. В водохранилищах этого вида нередко затоплены участки надпойменных террас. Примерами таких водоемов крупного размера служат водохранилища Угличское, Боткинское, Волгоградское, ііаховское, Чар-даринское (рис. ІЛ). К этому виду долинных водохранилищ относятся и меньшие по размеру Ялявинское, Кегумское, 1Сау-насское, Дубоссарское, Воронежское ', Можайское, Варварин-ское на р.Куре и многие другие.
Характерными чертами конфигурации простых долинных водохранилищ служит сильно вытянутая форма, но заметно менее извилистая, чем у русловых водохранилищ. Даже у одного из наиболее извилистых долинных водохранилищ - Боткинского -коэффициент извилистости не превышает 1,7. Изрезанноетъ же их береговой линии значительно большая, чем у водохранилищ руслового подтипа. Это вызвано, с одной стороны, наличием обычно многочисленных небольших заливчиков, образующихся в устьях балок и долин небольших притоков и расчленяющих склоны и надпойменные террасы долины, с другой, большой извилис-
Ь.М.шшон и др. (1974) называют Воронежское водохранилище "водоемом руслового (стержневого) типа" (стр. 94), хотя его водами затоплено все днище нижнего участка ошормленной долины р.Воронеж, достигающее ширины 3 км.
Рис.1.4. Очертания некоторых крупных водохранилищ мира.
Поименно-долинные простые: 1-Кариба, 2-Каховское, 3-Днепродзержинское 4-Волгоградское, 5-Воткинское, 6-Новосибирское, 7-Веселовское, 8-Кай-раккумское, 9-0ахе, Ю-Форт-Рендолл, И-Кентукки; сложные: 12-Вольта, 13-Куйбышевское, 14-Насер, 15-Братское, 16-Кременчугское, 17-Горьков-ское, 18-Камское, 19-Цимлянское, 20-Ириклинское, 21-Саньмынься, 22-Бхакра, 23-Карнафули, 24-Кебан, 25-Фурнас, 26-Трес-Мариас, 27-Илия Солтейри, 28-Ринкон дель Бонете, 29-Пауел, 30-Мид, 31-Форт-Пек, 32-Гаррисон, 33-Виллистон. Котловинио-долинные простые: 34-Каинджи, 35-Мингечаурское, 36-Храмское; сложные: Нарвское, 38-Иваньковское, 39-Рыбинское. Озерно-котловинные простые: 40-Виктория, 41-Княжегубское, 42-Выгозерское; сложные: 43-Черчилл, 44-Гуэн. Водохранилища смешанного типа: 45-Гранд-Репидс, 46-Даниэль Джонсон, 47-Бухтарминское, 48-Верхне-Свирское, 49-Шекснинское и 50-Иркутское с Байкалом.
тостыо уреза на пойме в верховьях водоема за счет ее сложного микрорельефа. Примером последнего могут служить аэрошото-снимки верхних участков Волгоградского водохранилища, опубликованные А.И.Барановой (1964). Ширина таких водохранилищ обычно возрастает от верховьев к плотинеЛ Однако из-за особенностей строения долины встречаются и такие водохранилища, створ наибольшей ширины в которых расположен почти в самых верхних их участках (например, Каховское, Волгоградское).
Распределение глубин в водоемах рассматриваемого подтипа такие закономерно. Наибольшие глубины в них сосредоточены в у&йсой русловой ложбине и возрастают от верховий к замыкающему водоем гидроузлу. В самых верховьях поименно-долинного водохранилища, где пойма уже не подвергается затоплению, водоем обретает облик, свойственный водохранилищу руслового подтипа.
Сложные поименно-долинные водохранилища возникают в пределах участков речных долин, имеющих крупные притоки. В низовьях долин таких притоков образуются обширные плесы приустьевых заливов3*' водохранилища, сильно осложняющие конфигурацию водоема. В морфологическом отношении такие водохранилища можно представить в виде нескольких кэк-бы состыкованных простых поименно-долинных водохранилищ с единым для всех них горизонтом воды. Сложными поименно-долинными водохранилищами следует считать Братское, Куйбышевское, Горьковское, Нриклинское, Вазузское, Вилюйское, а также обширнейшее в мире долинное водохранилище Вольта в Гане,
Такие заливы Ю.М.Матарзин и й.К.Мэцкевич (1970) называют краевыми плесами.
Озернинское и истринское в Подмосковье, Отказненекое и многие другие, извилистость береговой линии таких водохранилищ велика из-за разветвленности формы в плане. Особенно это относится к водохранилищам горных районов, где реки прорезают несколько параллельных горных хребтов и принимают ряд притоков, текущих в межгорных долинах. Таковы, например, водохранилища на юго-западном склоне Гималаев - Бхакра в Индии ( Rcto , Pcteici , 1971) и Карнавали в Бангладеш ( СAo&de^ , 1972) (см.рис. 1Л).
Водохранилища котловинно-долинного подтипа образуются при затоплении участков речных долин, имеющих озеровидные расширения различного происхождения: древние озерные котловины, обширные ззндровые низины или межгорные котловины. Для таких водохранилищ остаются характерными основные признаки формы водоема долинного типа -общий уклон дна по направлению к плотине и удлиненности в плане. Однако нередко водами этих водохранилищ затапливается не только пойма и надпойменные террасы, но и расположенные на более высоких отметках части котловины (участки ее днища или склонов). Это обстоятельство вносит специфические черты в форму котловинно-долишюго водохранилища, которые проявляются не только в очертаниях акватории, но и форме батиграфи-ческих кривых.
Как и водохранилища других подтипов котловинно-долинные могут быть простыми и сложными. Примерами простых котловинно-долинных водохранилищ служат Каинджи, Мингечаурское (см.рис. І.4-), Сионское, Кассансэйское, водохранилище Токтогульской ГЭС. Последнее включает глубоководный (до 180 м) приплотин-ный плес на месте [/-образного ущелья длиной около 20 км
и обширный плес в пределах Кетменъ-Тюбинской межгорной котловины. Перечисленные водохранилища менее вытянутой формы, чем водоемы остальных подтипов, а ширина их поверхности сильно изменяется, достигая максимальных значений в пределах затопленной котловины.
Другой разновидностью простых котловинно-долинных водохранилищ служат водоемы, сооруженные в четковидных долинах, в которых чередуются сужения и котловинообрззные расширения. Водохранилища этого подвида имеют сильно вытянутую форму. Примером такого водохранилища служит Красноярское. В пределах этого водохранилища, длиной 386 км, долина Енисея прорезает три горные хребта и имеет на этих участках вид узких каньонов, между которыми расположены широкие (до 15 км) плесы в межгорных котловинах - Енисейско-Чулымской, Ербинско-Сыдвинской и Минусинской (Широков, 1974).
Сложные к о т л о в и н н о - д о л и н н ы е водохранилища особенно разнообразны по морфологической структуре, и следовательно, по очертаниям акватории и характеру распределения глубин. К ним относятся Рыбинское, Иваньковское, Нарвское водохранилища, морфология каждого из которых сложна по-своему.
Рыбинское водохранилище образовалось на месте Молого-Шекснинской низменности, возникшей на дне древнего озера (їлосквитин, І947-, Спиридонов, Спиридонова, 1951). В рельефе этой низины четко прослеживались долины трех рек - Волги, Мологи и Шексны. После возведения Шекснинской и Божеской плотин Рыбинского гидроузла, образовавшееся водохранилище затопило участок волжской долины, протяженностью 120 км, по долине Мологи подпор распространился на 226 км, а по долине
шексны - на 362 км (Рыбинское водохранилище ..., 1972).
Моложская долина, вливавшаяся в волжскую у г.Мологи, имеет в границах водохранилища, еще одно озеровидное расширение меньших размеров выше г.Ьесьегонска. Часть невысокого водораздела между долинами Молоти и Шексны в центральной части низины оказалась покрытой водами водохранилища, благодаря чему возникла единая акватория его Главного плеса шириной до 60 км. Приведенная краткая характеристика строения чаши Рыбинского водохранилища показывает, насколько сложен в морфологическом отношении этот водоем, состоящий как-бы из трех слившихся простых котловинно-долинных водохранилищ, каждое из которых в отдельности обладает морфологическими чертами, свойственными долинным водохранилищам.
Иваньковское водохранилище создано в пределах Верхневолжской низины - крупной зандровой равнины, прорезанной долиной Волги (Гавеман, 1955). Сравнительно узкая в верхней половине водоема волжская долина ниже г.Конакова имеет обширное озеровидное расширение, образовавшееся в восточной части низины. В этом районе широкая надпойменная терраса долины сливается с заболоченными участками окружающей ее низменности, вследствие чего здесь образовался крупный иваньковский плес водохранилища с сильно изрезанной береговой линией и многочисленными небольшими островами вблизи берега. Долина наиболее крупного притока этого участка Волги - р.Шоши, также имеет озеровидное расширение в западной части низины, называемое теперь Шошинским плесом. Таким образом, морфологическая структура Иваньковского водохранилища возникла из сочетания двух простых котловинно-долинных водоемов.
Водохранилища пойменио-долинного и котловинно-долинного подтипов, расположенные в каскаде, могут иметь усеченную форму. К таким водохранилищам относятся водоемы, в верхнем участке которых сооружена плотина вышележащего водохранилища. Вследствие этого в таких водоемах при НПГ отсутствует зона выклинивания подпора над поверхностью затопленной поймы, а также верхний русловой участок. Особенно характерны короткие усеченные водохранилища, для шлюзованных участков рек, включенных в состав крупных водных магистралей, таких как Беломорканал или Волго-Бзлт (малые долинные водохранилища на р.Выг и р.Вытегре).
Водохранилища котловинного типа отличаются от долинных отсутствием одностороннего уклона, дна, а их наибольшие глубины сосредоточены, как правило, не у гидроузла, а в центральных участках котловины. Водохранилища этого типа создаются либо в пределах озерной котловины, либо в сходной по форме замкнутой депрессии, выемке, поэтому их можно называть также о з е р н ы м и водохранилищами. В зависимости от генезиса котловины они подразделяются на подтипы: озерно-котловинные, депрессионные и котлованные. Каждое из них в свою очередь может быть сложным или простым в морфологическом отношении, т.е. состоять из одной или нескольких котловин.
О з е р н о - к о т л о в и н н ы е водохранилища образуются^ при сооружении гидроузла в истоке реки, вытекающей из озера. При этом уровень е озере повышается и затапливаются склоны либо прежде сухая часть днища озерной котловины. Таковы водохранилища Сегозерское, Сумозерское, Водлозерс-кое в Карелии, Аккольское в Казахстане или Джайранбатанское
в Азербайджане. К таким водоемам относится и величайшее водохранилище мира - зарегулированное озеро Виктория с площа-
р дью зеркала 69 тыс .км (см.рис. 1А).
Сложные озерно-котловинные водохранилища возникают при искусственном подъеме уровня воды сразу в нескольких сообщающихся между собой озерных котловинах. Такие водохранилища состоят из нескольких иногда сильно обособленных плесов, отличаются изрезанной береговой линией и сложным рельефом дна. К ним относятся Кумское, йовское, Верхневолжское, а также крупнейшее среди подобных водохранилищ Черчилл на востоке Канады. По данным Э.Фелса ( ^е^ , 1973), акватория этого водохранилища, включающего пять крупных и многие малые
Р о
озера, составит 6650 км , а общий объем 33,6 км .
Д е п р е с с и о н н ы е водохранилища возникают в результате заполнения речными водами изолированных низин, ранее сухих впадин, емкость которых нередко увеличивается обвалованием. Таковы наливные водохранилища Тбилисское, Тщикское и Шапсугское в пойме р.Кубани, Учкызылское, Куюма-зарское, Каттакурганское в Средней Азии.
Котлованными водохранилищами, по предложению А.С.Филя (1971), названы водоемы, создающиеся в искусственных выемках - карьерах, копанях и т.п. Размеры таких водоемов, как правило, невелики, и если расход воды из них не регулируется, то - это пруды. Но среди них встречаются и водоемы емкостью в несколько миллионов кубометров, к их числу принадлежит и первый водоем-воронка, диаметром в 0,5 км и глубиной около 100 м, сооруженный ядерным взрывом*'.
В.Губарев. Создано ядерным взрывом. - "Правда", З.ХП.І976.
Водохранилища с н ешэнного т и п а состоят из участка речной долины и озерной котловины. Каждое из них делится на речную и озерную части как по морфологическим признакам, так и по особенностям гидрологического режима, поэтому такие водохранилища могут называться озерно-речным ий'. Характерными особенностями их формы служит гораздо более узкая приплотинная речная часть по сравнению с включенной в состав водохранилища озерной котловиной, а также хорошо выраженный порог в бывшем истоке реки из озера. К этому типу относятся Иркутское водохранилище с Байкалом, Бухтарминское с Байсаном, Верхне-Свмрское с Онежским озером и др. (см.рис. 1.4). Как показано на рис. 1.3, каждая из двух морфологически различных частей такого водохранилища относится к соответствующему подтипу водоемов долинного и котловинного типов.
Из-за отсутствия необходимых сведений автор в изложенную выше классификацию пока не включил сравнительно малочисленные небольшие водохранилища морских побережий. По-видимому, водохранилища в эстуариях следует рассматривать как один из подтипов долинных водоемов, польдерные водоемы - как разновидность котловинных водохранилищ, и лишь водохранилища в морских заливах, в том числе и водоемы приливных ГЭС, должны быть выделены в особый морфологический тип.
Второе название типа водохранилища (речное, озерное или озерно-речное) менее четко, чем основное, отражает морфологическое строение ложа водохранилища, оно скорее может служить характеристикой морфологически обусловленного гидрографического облика водоема.
4. Природные и антропогенные факторы формирования гидрологической структуры долинных водохранилищ.
Выбор в качестве объекта исследования водохранилищ долинного типа, строение которых более подробно в сравнении с другими типами рассмотрено в предшествующем разделе, обусловлен тем, что такие водохранилища составляют подавляющее большинство искусственных Еодоеыов мира. В табл. 1.2. приведены данные о количестве водохранилищ долинного типа и их доле в общем числе водохранилищ, рассчитанные автором по самому обширному из опубликованных перечню крупнейших водохранилищ (Водохранилища мира, 1979). В этот перечень включены основные сведения о 265 водоемах с емкостью более 5 км или с площадью акватории более 250 км каждое (их местоположение показано на рис. 1.5). Для 8 из них не удалось установить морфологический тип ложа. Из остальных 257 водохранилищ 188, или 73%, относятся к долинному типу. В табл. 1.2 приведены также суммарные значения площади акватории и суммарные величины полного и полезного объемов водохранилищ этого типа в пределах отдельных частей света, а ташке их доля в общей площади и общем объеме воды, накопленной в водохранилищах всех типов. Эти данные несколько неполны из-за отсутствия сведений о параметрах нескольких водохранилищ. Тем не менее они показывают, что долинный тип водохранилищ доминирует не только в нашей стране, но и во всем мире. Все крупные водохранилища в Юяной Америке, приведенные в упомянутом перечне, относятся к долинному типу, большинство из них сосредоточено в промышленно развитом
Рис.I.5. Размещение крупнейших долинных водохранилищ.
VS-N
Таблица 1.2, Относительная численность водохранилищ долинного типа на Земле.
Вся суша СССР
районе Бразиивш (рис., 1.5). Велика доля долинных водохранилищ среди искусственных водоемов Африки и Азии, но площадь их акватории (27$ и 47$) меньше, чем водохранилищ котловинного и смешанного типов из-за того, что к числу последних относятся такие озера с регулируемым стоком как Байкал и Зайсан в Азии, Виктория в Африке. Особенно велико число водохранилищ озерного и смешанного типов в Канаде и на Скандинавском полуострове, в Финляндии и Карелии, но тем не менее и в Северной Америке и в Европе долинные водохранилища не уступают ни по числу, ни по запасу воды водохранилищам двух других морфологических типов вместе взятым. Суммарные показатели, характеризующие распространенность и размеры столь же крупных долинных водохранилищ в нашей стране (см.табл. 1.2),
заметно выше, чем в среднем для всего мира из-за сооружения водохранилищ в средних и нижних частях крупных речных систем на равнинах ETC, Сибири и Средней Азии.
Среди 202 малых водохранилищ с емкостью от 10 до 50 млн.м3, включенных в кадастр водохранилищ СССР, доля водохранилищ долинного типа еще больше и достигает 87$, их площадь составляет 79$, а емкость и полезный объем соответственно 88 и 86$ от суммарных показателей водохранилищ СССР указанной размерной категории.
Приведенные данные показывают, что при изучении особенностей гидрологического режима водохранилищ, его отличий от режима озер, для поиска путей количественной оценки и прогноза влияния создаваемых человеком водоемов на процесс стока и весь круговорот веществ и преобразование энергии в пределах географической оболочки Земли главное внимание следует уделять исследованию долинных водохранилищ. Водоемы этого типа наиболее распространены сейчас, еще большую роль им предстоит играть в будущем в связи с очевидной необходимостью все более полного пространственно-временного регулирования речного стока, Если при подпоре озер и превращении их в водохранилища котловинного типа можно говорить лишь о большем или меньшем изменении их режима, о влиянии регулирования стока на жизнь озера, то при сооружении долинных водохранилищ человеком вносятся коренные изменения в гидрографическую сеть отдельных районов и целых материков. Эти преобразования ведут к существенному увеличению емкости речных систем, замедлению водообмена (Быков, і-Сисин, Зделыптейн, 1972, 1975, Калинин, 1972а) и формированию в них специфической гидрологической структуры вод, что в итоге вызывает сильнейшую
трансформацию режима и состава речного стока.
Форма и размеры долинных водохранилищ зависят от природных факторов - строения долины, обусловленного, с одной стороны геологическим строением и рельефом речного бассейна, с другой стороны, водоносностью реки, режимом ее водного стока и стока наносов (речным стоком). В то же время параметры водохранилищ и их водосборов определяются на стадии проектирования, когда в соответствии с назначением гидрооружения принимается решение о местоположении створа плотины и ее высоте (рис. 1.6) Кроме того, за счет регулирования расхода воды гидроузлом, которое следует рассматривать как мощный антропогенный фактор, интенсивность внешнего водообмена искусственных водоемов и масса воды в них существенно изменяются, что вызывает большую чем в озерах изменчивость морфометрических параметров водохранилищ долинного типа.
Водный режим водоема выражается в повышении либо понижении уровня воды, в увеличении или уменьшении проточноети. Эти гидрологические явления представляют собой проявление в водоеме одной из характернейших особенностей процесса стока -его временной изменчивости. Участие, роль каждого водоема в едином процессе стока характеризуется интенсивностью как внешнего, так и внутреннего водообмена. Понятие внешний водообмен включает, по мнению автора, обмен водоема водой с соседними участками гидрографической сети, грунтами ложа и атмосферой, т.е. как составную часть более общего процесса массо- и энергообмена водоема с окружающей средой. Интенсивность внешнего водообмена характеризуется количеством воды, учитываемом в виде водного баланса, каждая из составляющих которого имеет размерность км3/год,
Место
ство-
>а
Испарение
Климат
Термическая, химичес
кая и биологическая
трансформация водных
масс
Геологическое строение и рельеф
Строение долины
Режим
расхода
Водный режим водотока.
Сток воды, растворен.и взвешен, веществ й водных организм
Питьевые и техн. ачестваі .воды
Рис.1.6. Схема взаимодействия природных и антропогенных факторов формирования гидрологической структуры долинных водохранилищ
или м3/с в среднем за тот или иной расчетный период. Процесс внешнего водообмена, таким образом, слагается из двух составляющих - горизонтальной и вертикальной.
Первая из них, включающая приток воды в водоем и сток ее в расположенные ниже звенья гидрографической сети, совершается через некоторые водные сечения, которые лишь условно можно рассматривать в качестве границ сопряженных друг с другом водных объектов единой гидрографической системы. Действительно, в природе переход от реки к водоему, от речного режима к озерному всегда происходит постепенно, в пределах более или менее протяженной зоны переменного подпора. Ту же неопределенность положения граничного створа можно заметить и в истоке реки из озера. И только при возведении гидротехнических сооружений природное единство гидрографических систем нарушается, возникают четко выраженные границы между отдельными водными объектами.
Вертикальная составляющая включает выпадение осадков и конденсацию влаги на акваторию и испарение с неё, т.е. водообмен через физически определенную граничную поверхность двух сред - воды и воздуха. К этой же составляющей внешнего водообмена может быть отнесен и обычно слабый обмен через границу вода-ложе, который, однако, вместе с горизонтальной составляющей внешнего водообмена служит проявлением участия водоема в процессе стока.
Физико-химические и биохимические особенности процесса обмена водоема с внешней средой на граничных поверхностях вода-воздух и вода-грунты определяют коренные различия в роли, которую играют горизонтальная и вертикальная составляющие в трансформации состава речного стока. С относительным
увеличением интенсивности вертикальной составляющей обмена усиливается трансформация химического состава воды, ее физических свойств, видового состава и численности гидробионтов; с увеличением горизонтальной составляющей обмена трансформация стока ослабляется. Поскольку соотношение интенсивности обеих составляющих внешнего водообмена определяется структурой водного баланса, т.е. соотношением компонентов последнего, постольку трансформация речного стока водохранилищем находится в зависимости от морфометрических характеристик водоема и его водосбора и от климатических факторов (см.рис. 1.6). Последние, наряду с прочими природными факторами стоко-обрэзования - геологическим строением и рельбшом, почвенно-растигельным :покровом бассейна и т.п. - определяют режим и состав притока воды в водохранилище, режим выпадения на акваторию атмосферных осадков и процесс тепловой трансформации водных масс в водоеме, влияющий на интенсивность влэгообмена на границе вода-воздух. Б свою очередь, испарение с еодоємз интенсифицирует процесс локального влэгооборота, что ведет к увеличению количества осадков (Калинин, 1968).
Приводимое здесь определение понятия "внешний водообмен" водоема отличается от используемого многими исследователями, которыми этим термином обозначается "замена вод, находящихся в водоеме, новыми водами, поступившими извне" (Матарзин, Богословский, Мацкевич, 19776, стр. 39). При таком толковании термина - это внутриводоемный процесс, происходящий за счет притока воды и ее стока. "Внутренним водообменом", в этом случае, называют лишь перераспределение воды в водоеме посредством ветровых течений, конвективных и колебательных движений и вызванного ими перемешивания. Этой же терминологии
придерживается и В.я.Знаменский (І98Ї). Такое расчленение единого динамического процесса, совершающегося внутри водоема, вряд ли оправдано тем, что названием акцентируется значение ведущих, "внешних" или "внутренних", факторов. Воздействие и тех и других на процесс водообмена внутри водоема всегда одновременно и практически неразграничимо. В многогранности динамических процессов и скрыта причина тех трудностей, с которыми сталкиваются лимнологи в поисках интегрального критерия интенсивности внутреннего водообмена - ведущего среди внутри-водоемных процессов, определяющего продолжительность нахождения воды в водоеме и характер трансформации ее вещественного состава и теплового состояния.
Таким образом, понятие "внутренний водообмен", по мнению автора, должно обозначать всю совокупность динамических процессов, протекающих в водоеме и приводящих к обмену вод как внутри, так и между отдельными районами и участками водоема или слоями его водной толщи. Между интенсивностью внутреннего и внешнего водообмена имеется взаимосвязь, поскольку горизонтальная составляющая внешнего водообмена в водоеме проявляется в форме стокового течения - одной из компонент внутреннего водообмена. С интенсификацией горизонтальной составляющей внешнего обмена увеличивается внутренний обмен, проточность. И наоборот, в тех водоемах, где вертикальная составляющая внешнего обмена превалирует над горизонтальной, роль стоковых течений в процессе внутреннего обмена ослабляется, возрастает значение конвекции, интенсивность которой непосредственно связана с вертикальной составляющей внешнего водо- и теплообмена. Иными словами, структура водного баланса водоема в значительной мере определяет и особенности
его динамики.
Кроме воднобалэнсовых факторов, на характер и интенсивность внутреннего обмена при определенных условиях оказывает влияние неустойчивость масс воды. Причинами ее служат асимметрия продольного профиля водохранилищ долинного типа, связанное с ней различие в скорости прогрева и охлаждения водных масс в верховьях и глубоководном приплотинном районе, различие водных масс по физическим и химическим характеристикам, обусловливающих горизонтальную неоднородность воды по плотности.
Повышенная интенсивность водообмена долинных водохранилищ и свойственная им пространственная (из-за особенностей формы ложа) и временная (из-за изменчивости речного стока и управления режимом расхода воды) неравномерность этого процесса ведет к формированию в них сложной гидрологической структуры вод. Вводимое здесь понятие "гидрологическая структура в о д о х р а н и л и ш, а" обозначает закономерное сочетание в водоеме генетически и качественно разнородных объемов воды, называемых "водными массами" (по аналогии с воздушными массами или водными массами в океане). Взаимодействие водных масс в процессе внутреннего водообмена определяет внут-ригодовые изменения гидрологической структуры, проявляющейся в разномасштабной пространственной неоднородности состава воды. Именно указанные выше особенности процесса внутреннего водообмена водохранилищ долинного типа и приводят к преобразованию свойственной речному стоку внутригодовой изменчивости состава воды в пространственную неоднородность воды, наблюдаемую в водоемах этого типа.
Рассмотренная здесь схема основных взаимосвязей между факторами и. процессами формирования гидрологической структуры долинных водохранилищ положена в основу диссертации. По убеждению
автора, только путем теоретического и экспериментального изучения этих взаимосвязей, определяющих особенности водного режима долинных водохранилищ, его отличия от режима озер, возможна разработка гидрологических основ прогноза качества воды в регулируемых речных системах и решение проблемы всесторонней оценки воздействия гидротехнического строительства на процесс стока.
Помимо водного режима и генетического состава водных масс неоднородность химического состава воды, ее питьевые и технологические качества зависят от комплекса внутриводоемных физических, химических и биологических процессов, а также нередко и от загрязнения этих водоемов в результате хозяйственной деятельности человека на водосборе и на акватории. Исследование этих процессов представляет собой особую задачу, которая в данной работе не решается, а лишь затрагивается в той мере, сколь это необходимо для исследования водного режима и гидрологической структуры долинных водохранилищ. Выводы :
Процесс стока, рассматриваемый как чередование и взаимодействие генетически и качественно разнородных объемов воды в гидрографической сети, при гидротехническом преобразовании последней испытывает наиболее сильную трансформацию в водохранилищах долинного типа, составляющих 2/3 мирового фонда искусственных водоемов.
Учитывая водохозяйственные прогнозы, отражающие стремление к управлению речным стоком и все возрастающую ценность земельных ресурсов, следует ожидать в будущем интенсификации строительства многочисленных долинных водохранилищ относительно небольшого размера и, вместе с тем, глубокого сезонного и многолетнего регулирования в верхних звеньях речных систем.
Для проектирования и эксплуатации таких водоемов иеоб-
ходима теоретическая основа прогноза водного режима, процесса формирования гидрологической структуры водохранилищ долинного типа, отражающая все многообразие взаимодействующих в них природных и антропогенных факторов и процессов.
Природные и антропогенные факторы формирования гидрологической структуры долинных водохранилищ
Наряду со ставшими за многовековую историю регулирования стока традиционными формами использования водохранилищ в целях ирригации, коммунального и промышленного водоснабжения, регулирования уровня воды в судоходных и лесосплавных водных объектах, гидроэнергетики и защиты от наводнений, в настоящее время водохранилища сооружаются для водообеспечения тепловых и атомных электростанций, борьбы с загрязнениями, для рыбохозяй-ственного и рекреационного их использования. Для многих малых водохранилищ характерно целевое использование их водных ресурсов в интересах одной из перечисленных отраслей водного хозяйства, в то время как большинство водохранилищ среднего и крупного размера эксплуатируются одновременно многими водопотре-бителями и водопользователями.
Ввиду обостряющегося детицита чистой воды по мере развития общества заслуживает большого внимания мысль С.л.Вендро-ва (1970) о неизбежном дальнейшем изменении роли отдельных отраслей водного хозяйства в эксплуатации ресурсов пресных вод, в том числе и водохранилищ. Значение "временных" водопот-ребителей (энергетики, водного транспорта и лесосплава, большинства промышленных предприятий) по мере совершенствования технологии производства будет убьшэть, чтобы обеспечить развитие ирригации, коммунального-бытового водоснабжения, пищевой промышленности, рекреационного использования водоемов, относимых С.Л.Вендровым к "вечным" водопотребителям. многогранному анализу этих сложных экономико-географических проблем посвящена монография А.Б.Авзкянэ и В.А.Шарапова (1977). Здесь же эти проблемы лишь затронуты, поскольку еще на стадии проектирования водохранилищ их назначение предопределяет размеры будущих водоемов, их положение в той или иной гидрографической системе и вид осуществляемого с их помощью регулирования речного стока, что наряду с природными условиями водосбора и окружающей территории служит важнейшими факторами гидрологического режима водохранилищ.
В перспективе, Е связи с упоминавшейся ожидаемой переоценкой значимости отдельных участников водохозяйственного комплекса, когда энергетика и водный транспорт начнут все более уступать ведущую роль водоснабжению, ирригации, рыбному хозяйству и рекреационному использованию водоемов, преимущественное развитие, в условиях все возрастающей ценности земельных ресурсов получат водохранилища небольших размеров в верхних звеньях речных систем. Это позволит при не менее высокой степени регулирования стока создать более гибкую систему управления ими, необходимую для удовлетворения противоречивых запросов водопотребителей, и потребует относительно меньших потерь земли. Так например, сравнение Берхневолжского каскада крупных водохранилищ и Москворецкой системы, состоящей из нескольких небольших водохранилищ в верховьях речного бассейна (Быков, Эдельштейн, 1972), показывает, что степень регулирования стока этими системами (по величине относительной емкости водохранилищ) одинакова при более чем вдвое меньших удельных затратах плодородных пойменных земель в москворецком бассейне.
В гидрологической литературе наиболее часто упоминаются два основных типа водохранилищ - речные и озерные (озерно-реч-ные). При этом одни авторы, относя водоем к тому или другому типу, стремятся учесть морфологию ложа водохранилища, другие -только форму водоема, его очертания в плане. Из таких классификаций наиболее известны, опубликованные Б.Б.Богословским (I960) и А.Б.Авакяном и Б.А.Шараповым (1977). Различия между ними вызваны, главным образом, смешением морфологических и гидрографических признаков, недостаточно строгим соблюдением генетического принципа. Более обоснованную в геоморфологическом отношении типизацию водохранилищ отдельных районов нашей страны можно встретить в статьях Б.Н.Рейзвиха (1967а), B.wl. Широкова (1971), С.А.Филя (1971), Е.Е.Минервиной (1972), С.Н. Неманишвили (1973). Отдельные элементы упомянутых классификационных схем использованы автором при разработке морфологической классификации водохранилищ мира, представленной впервые на У сессии Международных высших гидрологических курсов ЮНЕСКО при МГУ (Эдельштейн, 1975а). Более подробное обоснование разделения водохранилищ на три морфологических типа: долинные водохранилища, котловинные и смешанные, а каждого из них - на подтипы и виды (рис. 1.3) приведено в более поздней статье (Эдельштейн, 1977). Одновременно Ю.М.Матарзиным, Б.Б.Богословским и И.й.Мацкевичем (1977а) опубликована классификация водохранилищ по генезису котловин. Практическое совпадение обеих классификаций следует рассматривать как свидетельство достаточной объективности приводимой ниже морфологической классификации водохранилищ мира.
К водохранилищам долинного типа автором отнесены водоемы, ложем которых служат участки речных долин. Их главная и характернейшая черта - уклон днища и связанное с этим увеличение глубин от верховьев к замыкающему водоем гидроузлу. Как правило, всем водохранилищам этого тина свойственна удлиненная, вытянутая форма. Поскольку долина как отрицательная форма рельефа выработана водным потоком, рекой, долинные водохранилища могут называться р е ч н ы -и и , независимо от того, насколько они проточны, извилисты, широки или сложны по своим очертаниям в плане. Из-за большого разнообразия типов речных долин (Щукин, I960, Важное, 1976) и разного подъема уровня воды в долине относительно ее морфологических элементов, водохранилища долинного типа, подразделены на три подтипа: русловые, поименно-долинные и котловинно-долинные, каждый из которых включает водоемы морфологически простые и сложные (см. рис. 1.3).
Рекомендации по использованию модели для решения теоретических и прикладных задач
Число выделяемых размерных групп водохранилищ, а также градации деления их на такие группы не имеет принципиального значения, поскольку подобная группировка используется обычно лишь для того, чтобы показать соотношение числа малых и крупных объектов и их суммарных размеров в пределах той или иной территории. Однако весьма желательно общепринятое единообразие в представлении о величине водохранилищ. Учитывая условность такого деления, не следует стремиться к большой его дробности, достаточно различать три размерные группы водохранилищ - малые, средние и крупные. При этом в качестве ведущего параметра предпочтительнее использовать акваторию, т.к. для любой отрицательной формы рельефа, служащей ложем водохранилища, характерна меньшая изменчивость акватории при изменении уровня по сравнению с соответствующим объемом воды.
Малыми предлагается называть водохранилища, акватория которых менее 10 км , средними - с площадью ят 10 до 100 км . Из рис. 2.1 следует, что емкость подавляющего большинства водохранилищ с такой акваторией составляет от 50 млн.м3 до I км .К крупны м следует относить водохранилища с площадью более 100 юг (их объем преимущественно более I км ).
К категории крупных и средних водохранилищ относится в Советском Союзе, по данным на I.I.I976 г., 248 водохранилищ. Это всего 23% общего числа учтенных водохранилищ, но тем не менее они составляют более ЭЪ% суммарных величин акватории, емкости и полезного объема всех водохранилищ СССР (Авакяи, Шарапов, 1977).
Из 36 крупных долинных водохранилищ СССР число простых поименно-долинных водоемов (12) почти равно числу сложных (14 водоемов), котловинно-долинных всего 6 (три морфологически простые и три сложные)55 . Наибольшее по площади среди отечественных водохранилищ - Куйбышевское (6450 км ); наибольшей емкостью обладает Братское - почти 170 км3. Длина подавляющего большинства крупных, долинных водохранилищ превышает 100 км. К наиболее протяженным относятся Братское, Волгоградское, Куйбышевское и Вилюйское водохранилища. Наименьшей длиной среди них отличаются котловинно-долинные водохранилища - Нарвское (25 км) и др.
Протяженность береговой линии известна далеко не для всех водохранилищ. По оценке С.Л.Вендрова (1970), суммарная длина берегов крупных долинных водохранилищ достигла приблизительно 33 тыс.км. Длина побережья Братского, Вилюйского, Рыбинского и Волгоградского водохранилищ составляет по несколько тысяч километров. Различна максимальная глубина крупных водохранилищ - в Веселовском она менее 10 м, в Красноярском и Братском более 100 м, а в Токтогульском и Саянском она достигнет 183 и 220 м. В табл. I и 2 приложения приведены морфометрические параметры долинных водохранилищ, расположенных по размеру акватории в убывающем порядке. крупных водохранилищ имеют наибольшую глубину в пределах 20-40 м, что характерно для водоемов, созданных в долинах крупных равнинных рек.
Среди включенных в табл. I приложения долинных водохрзни-лищ среднего размера (с площадью акватории 10-100 км ) вдвое больше, чем крупных. В отличие от крупных, среди которых преобладают сложные водоемы, подавляющее число (около 10%) водохранилищ среднего размера относится к разновидности простых, в том числе всего 3 русловых и 5 котловинно-долинных, а сложные водохранилища этого подтипа и вовсе отсутствуют. По максимальной глубине долинные водохранилища среднего размера столь же различны, как и крупные - многие из них имеют наибольшую глубину всего 7-8 ы и даже 4 м (Усть-Манычское), в то время как в глубоководных горных водохранилищах - Нурекском и Кампырраватском она более 100 м. из огромного числа малых долинных водохранилищ в таблице I представлены морфометрические данные только 28 водоемов, поэтому их следует рассматривать лишь как отдельные примеры малых долинных водохранилищ, расположенных в различных районах страны. Как и среди водохранилищ среднего размера, подавляющее большинство малых относятся к разновидности простых долинных водохранилищ. Не-готорнеий них, главным образом, .горные имеют глубину 30-60 м и более. Объем таких водохранилищ достигает 90-120 млн.м3, а в Каркиданском водохранилище даже превышает 200 млн.м3. Длина большинства малых водохранилищ составляет всего несколько километров и редко бывает больше 20 км.
Таким образом, показатели размеров долинных водохранилищ имеют очень широкий диапазон, но из-за различий морфологического типа отдельных водоемов, разнообразия рельефа, в котором возникла долина, а затем и водохранилище, достаточно надежных корреляционных соотношений между показателями обнаружить не удается (кроме рассмотренной выше связи Р и WQ ). Можно лишь отметить некоторую общую тенденцию изменения их величин в зависимости от размеров целых групп водоемов (рис. 2.2). Для построения гистограмм осредненных значений моргаометрических показателей долинных водохранилищ весь список водоемов СССР, приведенный в табл. I приложения, подразделен на б равных по числу водохранилищ групп (й 1-№23, й 24-112 46 и т.д.). Для каждой из таких групп вычислены средние значения каждого показателя в виде модульного коэффициента по отношению к среднему значению того же показателя для всех 138 водоемов. Сопоставление этих гистограмм показывает, что с уменьшением размера водохранилищ, характеризуемого величиной его акватории F0 , столь же значительно сокращается в среднем и аккумулируемый в долинном водохранилище объем воды Ж . Четко прослеживается и тенденция сокращения длины 1_ и средней ширины Вс водохранилищ долинного типа по мере уменьшения их размеров, хотя различие размерных групп водоемов по линейным показателям акватории заметно меньше, чем по первым двум показателям. Остальные показатели - максимальная Нт,от,п и средняя глубина HCD, удлиненность Л и относительная глубоковод-ность по своим средним значениям для разных размерных групп водохранилищ различаются очень слабо, а характер их изменения от группы к группе Е большой мере случаен, так как сильно зависит от индивидуальных морфологических особенностей водоемов, включенных в рассматриваемый их перечень.
Географические закономерности размещения водоемов с различным типом водного баланса
При всем, казалось бы, неисчерпаемом разнообразии уюрм озерных котловин идея С.Д.Мурэвейского (1948) о необходимости их сравнения с формой ряда простых геометрических фигур оказала плодотворное влияние на развитие теоретическом лимнологии. Сопоставление озерной котловины при помощи предложенного им коэффициента с = гь/д с формой тел вращения с вертикальной осью - конусом, параболоидом, полусферой и цилиндром - позволило теоретически обосновать тесную взаимосвязь динамических процессов, протекающих в озерах разной формы, с наиболее общими чертами их морфологического строения (Новикова, 1955, Хомскис, 1969).
Развитие этого направления для выявления специфики долинных водохранилищ, принципиального отличия протекающих в них процессов от водоемов котловинного типа, обусловленное именно различием формы лона, представляется крайне необходимым. Но при такой грубой схематизации, неизбежной при обобщении, в значительной мере теряются многие важные индивидуальные черты водных объектов.
Путем геометрической интерпретации формы долинных водохранилищ могут быть решены следующие задачи: а) выявление важнейших из морфологических особенностей затопленного участка речной долины, которые определяют форму широко используемых в практике водохозяйственных и других гидрологических расчетов моршометрических зависимостей - кривых площадей и объемов водохранилищ, и таким образом познать наиболее существенные связи между морфологией и морсуометрией ложа водоемов этого класса; б) разработка метода приближенного расчета указанных зависимостей по материалам геоморфологического обследования долины. Это позволит сократить трудоемкие топографические и карто-метрические работы на стадии проработки первоначальных вариантов размещения гидроузлов, прогностических расчетов трансформации качества воды в проектируемых водохранилищах, когда обычно не обязательна высокая точность определения морфометрических параметров водоема. При этом немаловажным обстоятельством служит и удобство использования аналитических выражений связи площади и объема водохранилища или отдельных его участков с уровнем воды в нем при выполнении гидрологических расчетов на ЭВМ.
Рассмотренные в предшествующей главе морфологические и мор-фометрические особенности многих долинных водохранилищ позволяют считать, что наиболее типичным и в тоже время достаточно элементарным для моделирования строением ложа отличаются простые поименно-долинные водохранилища. Все остальные морфологические разновидности долинных водохранилищ в той или иной мере могут быть представлены как часть либо комплекс нескольких таких водоемов. Русловое водохранилище, образованное в пределах участка оформленной долины, при схематизации может рассматриваться как верхняя по течению реки часть поименно-долинного водохранилища. Водохранилища, возникшие в горных V -образных или пойменных долинах без четко выраженной русловой ложбины, сравнимы с надпойменной емкостью поименно-долинного водохранилища, а морфологически сложные водохранилища можно представить в виде нескольких сочлененных простых и т.д.
При математическом моделировании формы простого поименно-долинного водохранилища важно отразить следующие его морфологические особенности: 1) сильно вытянутую в плане акваторию; 2) асимметрию продольного профиля, проявляющуюся в увеличении глубин от верховьев к плотине; 3) сложную структуру ложа, состоящую из двух отрицательных форм рельефа. - участка затопленной долины со сравнительно широким днищем, сопрягающимся со склонами ее бортов, в которое врезана более извилистая русловая ложбина; 4) морфологическое подобие отдельных отрезков речной долины. Перечисленные особенности долинных водохранилищ полностью исключают возможность их сопоставления с фигурами вращения около вертикальной оси симметрии даже в тех случаях, когда показатель оюрмы таких водоемов численно совпадает со значениями коэффициентов формы таких фигуре. Допустимо лишь считать, что идеализированная форма простого долинного водохранилища может иметь плоскость, проходящую вдоль продольной оси водоема, относительно которой симметричны борта его ложа.
Второе принципиальное отличие долинных водохранилищ от озерных котловин с вертикальной осью симметрии в том, что в озерах указанная вертикаль служит одновременно и инерционной осью , в то время как в долинных водохранилищах эта ось.
Возможность подобной ошибки, допускаемой например Б.Гзйлюши-сом и Р.Пэрейгисом (1970), была предусмотрена С.д.Муравейским, который специально подчеркивал, что предлагаемый им коэффициент а,ормы "в известном приближении может быть справедлив лишь для озер I типа и только гимигеоморфных" (Муравейский, I960, стр. 108), т.е. водоемов не изогнутых в плане, и тем более не асимметричных.
Методика детальных балансовых исследований изменения состава стока в долинном водохранилище
Поскольку усеченной трапецеидальной призмой моделируется надпойменный объем воды в водохранилище, образованном в пределах бесприточного участка речной долины, для расчета необходимы данные о длине затопленного участка поймы, ее средней ширине, наибольшей эффективной глубине водохранилища. Хотя эти данные легко могут быть получены в результате геоморфологических изысканий, в литературе об уже созданных водохранилищах они, к сожалению, отсутствуют. Поэтому всестороняя и достаточно надежная проверка соответствия модели реальному водоему возможна сейчас только по материалам специально выполненного автором детального моршометрического исследования типичного в морфологическом отношении поименно-долинного Можайского водохранилища. Площадь акватории Можайского водохранилища без мор оучаст-ка № 4-, 19 и 21 (см.главу 2) г0 равна 28,77 км . Объем воды в его надпойменной части, исключая объемы указанных морфо-участков и объем русловой ложбины, VV составляет 220,18 млн. м3. Значения этих двух характеристик при сработке водохранилища на I, 2 м от НІІГ и т.д. приведены в табл. 7 приложения. Средняя ширина приплотинпого морфоучастка водохранилища ;;2 I при НПГ В0 равна 1,6 км (величина коэффициента ji = 0,42), значения его наибольшей эффективной глубины, площади поверхности поймы затопленного водохранилищем участка москворецкой долины и ее характерные линейные размеры приведены в табл. 3 приложения. Подставляя эти данные в формулы (3.1) и (3.3) получаем рассчитанные значения F (28,83 км2) и К/ (209,09 млн.м3). Погрешность расчета по формулам акватории составляет всего +0,2$ и емкости -5,0/. Рассчитав по формулам (3.2) и (ЗЛ) значения і (z) и w(z) и умножив их на рассчитанные значения То и \лЛ, получили величины F и W для каждого горизонта, кратного I м (см.табл. 7 приложения).
Сопоставление аналитически рассчитанных значений площади водохранилища при разной сработке с фактическими показавэет, цто погрешность расчета составляет 5-8$, и только на горизонтах II и 16 м они получились равными 11$. По абсолютной величине они вполне сопоставимы с интерполяционными ошибками, которые обычно имеют место при составлении кривой площадей долинных водохранилищ по малому числу точек (Эдельштейн, 1973). Погрешность расчета объема больше, чем площади, и достигает 5-10$ в верхней половине объемов и 16-20$ глубже горизонта 13 м, но по абсолютной величине эти погрешности малы (около 0,5 млн.м3). В основном занижение рассчитанных величин объема вызвано ошибкой вычисления емкости, в то время как форма кривой объемов модели достаточно точно отражает фактическую. Об этом можно судить по трем последним столбцам табл. 7 приложения, в которых значения W получено умножением uffz) на фактическую емкость водоема ( WQ = 220,18 млн.м ). Погрешность расчета объема при разном % в этом случае резко сократилась.
В графической форме сопоставление безразмерных морфометри-ческих .функций модели и надпойменной части Ыожайского водохранилища представлено на рис. 3.5, из которого видно, что в нижней поливине кривий площадей к фактическим точкам олиже кривая трапецеидальной призмы, в верхней ее половине, наоборот, кривая сегмента усеченного конуса. В остальных случаях очевидно лучшее совпадение фактических точек с соответствующими функциями усеченной трапецеидальной призмы.
По приведенным выше формулам можно получить графики нарастания площади и объема водохранилища при любом горизонте. Для примера на рис. 3.5в и г приведены такие графики для горизонта наибольшей срэботки (ГО; Можайского водохранилища, равного 7 м ( 2 = 0,4). Некоторое завышение фактических значений площади водного зеркала при этом горизонте, особенно заметное на кривой fx ( $ = "ІР для мРФУчастков 12-14 вызвано локальным прогибом продольного профиля днища долины Москвы-реки (см.рис. 2.60).
До сих пор рассматривалась лишь надпойменная часть Можайского водохранилища без приустьевых заливов. Но для простых долинных водохранилищ характерно малое значение показателя рззвет-вленпости, а следовательно, как правило, малая доля акватории и емкости приустьевых заливов по отношению к соответствующим параметрам всего водохранилища в целом. Так для Можайского водохранилища с показателем разветвленности, равным 1,1, акватория приустьевых заливов (морфоучастков № 4 и Ї& 19, рис. 2.6а) составляет 5,3/;о, а их объем 2,6$. вследствие этого форма мор оыет-рических зависимостей практически не меняется, если кроме затопленной водохранилищем главной речной долины учитывать и небольшие заливы по ее притокам. Как видно на рис. 3.5, точки, соответствующие водохранилищу с учтенными приустьевыми заливами, практически совпали на всех графиках с точками, характеризующими рассматриваемые зависимости только для надпойменной части главной долины.
Для того чтобы оценить погрешность аналитического расчета надпойменной емкости крупных долинных водохранилищ с использованием математической модели, необходимо знать величины наибольшей эффективной их глубины и относительной ширины днища долины.
