Круглый стол: Хозяйственное использование водотоков. Экологические проблемы рек

Вопросы для предварительной подготовки (Д/з):

1) Водохранилища. Назначение водохранилищ, и их размещение на земном шаре. 2) Типы водохранилищ. Морфологические характеристики водохранилищ, величины их характеризующие и параметры их определяющие.3) Особенности уровенного, термического, ледового, гидрохимического и гидробиологического режимов водохранилищ.

4) Влияние на речной сток, климат, гидрогеологические условия, растительный и животный мир.

5) Проблема загрязнения водотоков, истощения.

6) Проблема устойчивости и уязвимости водных экосистем.

7) Охрана рек от истощения и загрязнения и их рациональное использование.

Термины и понятия: водохранилище, каскад водохранилищ, плотина, верхний и нижний бьеф, нормальный подпорный уровень, форсированный подпорный уровень, уровень мертвого объема, полезный объем, резервный объем.

Темы презентаций:

1) Общая характеристика (физико-географическое положение, морфометрическое строение, гидрологический режим, хозяйственное использование, экологические проблемы) любого водотока, например Енисей, Ангара, Волга, Амур, Ганг, Хуанхэ, Сырдарья, Нил, Амазонка, Колорадо и др.). Экологические проблемы причины, пути решения. В одном сообщение один водный объект.

2) Проект переброски части стока сибирских рек на юг? В чем заключается необходимость? Возможные экологические последствия?

3) Искусственные водотоки. Каналы, их назначение, влияние на прилегающую окружающую среду, на примере Обь-Енисейского, Волго-Донского и др. каналов.

4) Волго-Камский каскад, особенности строения и характер воздействия на гидрологический режим и природу бассейна р.Волга

5) Ангаро-Енисейский каскад

6) Причины и следствия техногенных аварий на реках

 

Водные ресурсы используются многопланово: для хозяйственно-питьевого водоснабжения насе­ленных пунктов, промышленных предприятий, оро­шения, выработки электроэнергии, судоходства, рыбоводства и др. Динамика потребления воды в течение года имеет различный характер для разных отраслей. Хозяйственно-питьевое и промышленное водопользование отлича­ется относительно равномерным потреблением воды в течение года. В сельском хозяйстве для целей орошения максимум потребления воды приходится на летнюю межень (июнь-июль). Гидроэнергетика заинтересована в наибольших объемах воды в период прохождения осенне-зимнего максимума электропотребления. Водный транспорт использует воду только в пе­риод навигации, то есть, в основном, в течение летне-осенней межени.

Таким образом, суммарное водопользование с большей вероятностью будет превышать доступные водные ресурсы реки в периоды летне-осенней и зим­ней межени, на которые приходится всего 15-20% годового стока.

Для того чтобы увеличить доступные водные ре­сурсы в дефицитные по водности периоды и привести крайне неравномерный естественный ре­жим реки в соответствие с режимом водопользова­ния, применяют метод регулирование сто­ка водохранилищами.

Водохранилища –особая категория внутренних ис­кусственных или естественных водоемов с замедленным водообменом, объемом более 1 млн м³, уровенный ре­жим которых постоянно регулируется гидротехни­ческими сооружениями для накопления воды в це­лях ее хозяйственного использования.

По данным Министерства природных ресурсов Российской Федерации на территории России создано 1937 водохранилищ ёмкостью от 1 до 10 млн.м³, и 363 ёмкостью более 10 млн. м³. Общая площадь составляет свыше 65 тыс. км², это 0,4% от общей площади страны, а общий объем – 793 км² (Эдельштейн, 1998).

Считается, что первое водохранилище было построено в древнем Египте около 3000 лет до н.э. Первым в России было построено Алапаевское водохранилище (1704г.) на среднем Урале для обеспечения водой и механической энергией завода. Вторым было водохранилище транспортного назначения – Вышневолоцкое (1719 г.).

К концу XVIII в. на территории России (в современных ее границах) уже действовало 22 водохранилища. Бoльшая их часть – это уральские горнозаводские водохранилища (заводские пруды), созданные для сезонного регулирования стока рек. Они используются и поныне как источники промышленного и коммунального водоснабжения. Основная масса водохранилищ и прудов была построена за годы советской власти. Пик строительства пришелся на 60-70-е годы XX столетия.

К числу крупных и средних (объемом не менее 10 млн м³) принадлежит 327 водохранилищ, обеспечивающих работу более 80 ГЭС. Крупных водохранилищ (объемом более 1 км³) в России всего 41 (31 – в европейской части России и 10 – в азиатской). Самым большим по площади является Куйбышевское водохранилище (6448 км²), а по объему – Братское (169 км³).

Одни из крупнейших водохранилищ мира находятся в Сибири и на Дальнем Востоке на многоводных реках: Обь, Енисей, Ангара, Вилюй, Колыма, Зея (табл.7.1). При этом из-за гористого рельефа было затоплено относительно небольшие территории. Длина большинства водохранилищ этого района составляет от 150 км (Колымское) до 565 км (Братское), а ширина относительно невелика, за исключением некоторых участков, где вода разливается до 15-33 км. Так Саяно-Шушенское водохранилище затопило долину Енисея на протяжении более 300 км, при небольшой ширине – до 9 км. Расположенная ниже по Енисею плотина Красноярского водохранилища находится на участке шириной всего 800 м. Наибольшая густота искусственных водоемов в России характерна для южных районов европейской части (лесостепной и степной зон), так в бассейне Волги насчитывается каскад из 13 водохранилищ.

Таблица 7.1

Крупнейшие водохранилища земного шара

Водохранилище	Река	Объем, км3	S, км2	Напор, м
полный	полезный
Виктория (Оуэн-Фоле)	оз. Виктория, Нил		68,0	76 000
Братское	Ангара		48,2	5 470
Кариба	Замбези		46.0	4 450
Насер	Нил		74,0	5 120
Вольта	Вольта		90,0	8 480
Красноярское	Енисей	73,3	30,4	2 000
Зейское	Зея	68.4	32,1	2 420
Куйбышевское	Волга	58,0	34,6
Байкальское (Иркутское)	оз.Байкал, Ангара	47,6	46,6	32 970
Онтарио (Ирокуэй)	Св.Лаврентия оз. Онтарио	29,9	29,9	19 470
Рыбинское	Волга	25,4	16.7	4 550
Онежское (Верхне- свирское)	оз. Онежское, Свирь	13,8	13,1	9 930

 

По генезису рекомендуется различать следую­щие типы водохранилищ:

1. Водохранилища в долинах рек, перегорожен­ных плотинами (речные водохранилища). Ложем их служат участки речных долин. Они характеризуют­ся удлиненной, вытянутой формой, имеют уклон днища и увеличение глубин от верховьев к замыкающему створу водохра­нилища (Красноярское, Саяно-Шушенское).

2.Зарегулированные озера (озера-водохра­нилища). Ложем их служат озерные котловины, характеризуются округлой или слабовытяну­той формой, наибольшие глубины сосредоточены в центральной части котло­вины (оз. Виктория).

3. Озерно-речные водохранилища смешанного типа, ложем служат часть речной доли­ны и озерная котловина, характеризуются уз­ким вытянутым приплотинным участком и озеровидным расширением в центральной части водо­хранилища (оз.Байкал и р.Ангара).

4.Наливные водохранилища, создаваемые в ес­тественных понижениях местности, куда по кана­лам подводятся половодные и паводковые воды. Та­кие водохранилища сооружаются большей частью в засушливых районах.

5.Подземные водохранилища, в качестве емкости используются подземные пустоты, например карстовые.

6. Морские водохранилища в прибрежных участках моря – в морских заливах, бухтах, лима­нах и эстуариях, отделенных от открытого моря дам­бами.

К числу параметров, определяющих основные раз­меры водохранилищ, следует отнести (рис.7.1):

- НПУ (нормальный подпорный уровень) – уровень воды, при котором подпорные сооружения могут поддерживаться в нормальных условиях эксплуатации в течение длительного времени;

- ФПУ (форсированный подпорный уровень) – уровень выше НПУ до которого допускается кратковременное повышение уровня воды в водохранилище при пропуске катастрофических половодий и паводков. Объем водохранилища, заключенный между ФПУ и НПУ, называется форсированным;

-УМО (уровень мертвого объема) – самый низший уровень, до которого срабатывается водохранилище в процессе нормальной его эксплуатации;

 

 

 

Рисунок 7.1. Схема профиля водохранилища.

 

- МО (мерт­вый объем или неиспользуемый) – объем водохранилища, находящийся ниже УМО, обеспечивает минимальный напор воды для выработки элект­роэнергии, и гарантирующий бес­перебойную работу сооружений, отводящих воду из водохранилища (каналов, трубопроводов, на­сосных установок); минимальный объем воды для поддержания качества воды и ус­ловий существования рыб и биоценоза; минимальные глубины для навигации;

- V полез. – полезный объем водохранилища, находится между УМО и НПУ (в слое водохранили­ща высотой h_ср6) и используется для регулирования стока воды;

- Vполн. – полный объем водохра­нилища при нормальном подпорном уровне;

- S_HПУ – площадь водной поверхности водохрани­лища при НПУ;

- S_умо – площадь водной поверхности при УМО;

- h_срб – уровень сработки водохр.

Морфометрические особенности и параметры водохранилища определяются особенностями топографии местности; зависят от геологических условий (все высокие плотины сооружены на скаль­ных основаниях, являющихся, с точки зрения несу­щей способности, наиболее благоприятными).

Создаваемые искусст­венно водоемы могут оказывать (прямое и косвенное) воздейс­твие на природную среду.

К прямому воздействию в верхнем бьефе (выше плотины) можно отнести затопление земель (общая площадь затопленных во­дохранилищами земель в России составляет 4,5 млн. га или 0,3 % от общего земельного фонда страны), что приводит к уничтожению флоры и фауны района затопления, потере почвенного плодородия; подпор­ные сооружения препятствуют проходу рыбы к мес­там нерестилищ; дополнительное отчуждение земель вызванное под­топлением берегов вследствие подъема уровня грунтовых вод (площадь подтопленных водохрани­лищами земель составляет 3-15 % от площа­ди затопления); из-за увеличения водной поверх­ности наблюдается усиление волновых процессов (ветровые волны до­стигают высоты 4-5 м), что приводит к трансформации бе­регов водохранилищ («переработка берегов») и береговая линия отступает на десятки - со­тни метров, в следствие этого наблюдается дополнительная потеря территорий, появление мелководья; на мелководье происходят гидро­биологические и гидрохимические процессы, влеку­щие за собой цветение воды и ухудшение санитарного состояния водоема, это усугубляется сбросом в водохранилище плохо очищенных сточных вод и резким замедлением во­дообмена. Оставшиеся под водой растительность и почвенный покров, древесная масса, постоянно поступающая на поверхность водохра­нилища при разрушении берегов, также отрицательно влияют на качество воды.

В нижнем бьефе в результа­те регулирования стока резко повышаются межен­ные (летние и зимние) и снижаются высо­кие (половодные и паводочные) расходы, вследствие срезки пиков половодий и паводков уменьшаются затопления в нижнем бьефе, что при­водит к обезвоживанию пойм и их постепенному остепнению. Повышение зимних расходов, сбрасываемых в нижний бьеф из глубинных слоев водохранилищ, температура которых более высокая, чем в реке, приводит к образованию полыньи, длина которой нередко достигает нескольких десятков километров (80-100 км и более в нижнем бьефе Красноярской ГЭС; 40-60 км ниже Вилюйской ГЭС на р. Вилюе; 15-20 км после Но­восибирской ГЭС на р.Обь). Наличие полыньи нарушает ледовые переправы, что затрудняет транспортные связи с островами и берегами во­дотока. Летние температуры воды в нижнем бьефе характеризуются более низким значением (на 7-10°С), чем до зарегулирования стока.

Водохранилища замедляют водообмен в гидрог­рафической сети речных бассейнов приблизительно в 5 раз. Наиболее сильно замедлился водообмен в речных системах Азии (в 14 раз) и Европы (в 7 раз). Каскад водохранилищ в бассейнах рек Волги и Днепра уменьшил водообмен в 7-11 раз. Уменьшение водообмена ведет к снижению способности реки к са­моочищению и уменьшению теплового стока. Из-за оседания значительной части наносов в во­дохранилище в нижний бьеф сбрасывается осветлен­ный поток с большей скоростью, обладающий повышенной размывающей способностью, это приводит к интенсивным размы­вам русла.

Одним из негативных факторов является и соци­альный вопрос, связанный с переселением людей.

Косвенные воздействия водохранилищ на окру­жающую среду. На территориях, прилегающих к крупным водо­хранилищам, происходит изменение климата из-за увеличения зеркала водной поверхности возрастает испарение, повышается влажнос­ти воздуха и частота туманов, уменьша­ется годовая амплитуда температуры воздуха, изменяется направление и скорость ветра; возникновение или повышение сейсмической активности в прилегающих к водохранилищу райо­нах, например, при заполнении Нурекского водо­хранилища на р. Вахш (Таджикистан) число землетрясений возрос­ло до 30-40 в 10-летие против 3-4 до заполнения во­дохранилища.

Гидроэлектростанция (ГЭС) – электростанция, вырабатывающая энергию за счет падающей воды, сооружается обычно на реках, перегораживаемой плотиной.В первую пятерку входят ГЭС Китая(«Три ущелья» на р.Янцзымощностью 22,40 ГВт), Бразилии («Итайпу» на р.Парана мощностью 14ГВт,«Тукуруйская» на реке Токантинс мощностью 8,30 ГВт), Венесуэлы («Гури» на р.Карони в 100 км перед слиянием с р.Ориноко мощностью 10,30 ГВт) и Канады(Черчилл-Фолс на р.Черчилл в провинции Канады Ньюфаундленд и Лабрадор, мощность 5,43 ГВт).

В России самые большие ГЭС расположены на реках Енисей и Ангара.

«Саяно-Шушенская гидроэлектростанция им. П. С. Непорожнего» –самая мощная гидроэлектростанция России (6,40 ГВт, после аварии в 2009 году работает с мощностью 1,28 ГВт), шестая по мощности в мире, построена на реке Енисей в посёлке Черёмушки (Хакасия), возле Саяногорска. «Красноярская гидроэлектростанция» - ГЭС на реке Енисей, в 40 км от Красноярска, вторая по мощности ГЭС в России - 6,00 ГВт, входит в Енисейский каскад ГЭС. На р. Ангара наиболее мощные «Братская гидроэлектростанция им. 50-летия Великого Октября» и «Усть-Илимская гидроэлектростанция» мощностью 3,84 ГВт.

Россия располагает большим гидроэнергетическим потенциалом (около 9% мировых запасов гидроэнергетики), в настоящее время на территории нашей страны действует более 130 объектов гидроэнергетики общей установленной мощностью 44,4 млрд. кВт, со среднегодовой выработкой электроэнергии более 170,0 млрд. кВт.ч, что составляет примерно 18% от общей выработки энергии в стране, по оценкам, общий природный экономический гидроэнергопотенциал составляет 852,0 млрд. кВт.ч.

Таким образом, водохранилища и сооруженные на них ГЭС давая положительный экономический эффект, оказывают довольно неоднозначное воздействие на режим рек и природу сопредельных территорий. С целью минимизации негативных экологических последствий, при проектировании водохранилищ необходима более детальная комплексная оценка гидрологических, физико-географических, социально-экономических и экологических аспектов.

Литература:

1) Михайлов В.Н. Гидрология: Учебник для вузов / В.Н. Михайлов, А.Д. Добровольский, С.А. Добролюбов. – 2-е изд. испр. – М.: Высш. шк., 2007. – 463 с.

2) Авакян А.Б., Салтанкин В.П., Шарапов В.А. Водохранилища. – М.: Мысль, 1987. – 325 с.

3) Вендров С.Л. Проблемы преобразования речных систем. – Л.: Гидрометеоиздат, 1979. – 207 с.

4) Водохранилища и их воздействия на окружающую среду. – М.: Наука, 1986. - 367 с.

5) Вуглинский В.С. Водные ресурсы и водный баланс крупных водохранилищ СССР. – Л.: Гидрометеоиздат, 1991. – 223 с.

6) Матарзин Ю.М. Гидрология водохранилищ. – Пермь, 2003. – 295 с.

7) Шикломанов И.А. Влияние хозяйственной деятельности на речной сток / Шикломанов И.А. – Л.: Гидрометеоиздат, 1989. – 334 с.

8) Шикломанов И.А. Исследование водных ресурсов суши итоги, перспективы, проблемы / Шикломанов И.А. – Л.: Гидрометеоиздат, 1988. – 152 с.

9) Эдельштейн К.К Водохранилища России: экологические проблемы, пути их решения. – М.: ГЕОС, 1998. -277 с.

10) Эдельштейн К.К. Гидрология материков / Эдельштейн К.К. – М.: Academia, 2005. – 304 с.