Водохрани́лище – искусственный водоём, созданный для накопления и последующего использования воды и регулирования стока.

Водохранилища стали сооружать ещё в глубокой древности для обеспечения водой населения и сельского хозяйства. Одним из первых на Земле считают водохранилище с плотиной Садд эль Кафара, созданное в Древнем Египте в 2950–2750 гг. до н. э. В XX в. водохранилища стали сооружать повсеместно. В настоящее время их на земном шаре более 60 тыс.; ежегодно в строй вводится несколько сот новых водохранилищ. Общая площадь всех водохранилищ мира более 400 тыс. км2, а с учетом подпруженных озёр – 600 тыс. км2. Суммарный полный объём водохранилищ достиг почти 6,6 тыс. км3. Многие реки земного шара – Волга, Днепр, Ангара, Миссури, Колорадо, Парана и другие – превращены в каскады водохранилищ. Через 30–50 лет водохранилищами будет зарегулировано 2/3 речных систем земного шара.

Приблизительно 95% объёма всех водохранилищ мира сосредоточено в крупных искусственных водоёмах с полным объёмом более 0,1 км3. В настоящее время таких водохранилищ более 3 тыс. Большинство из них расположено в Азии и Северной Америке, а также в Европе.

В России насчитывается более 100 крупных водохранилищ с объёмом более 0,1 км3 каждое. Их суммарные полезный объём и площадь равны соответственно около 350 км3 и более 100 тыс. км2. Всего же в России, более 2 тыс. водохранилищ.

Самые большие по площади водохранилища в мире (без учета подпруженных озёр) – это Вольта в Гане на р. Вольте, Куйбышевское в России на Волге, Братское в России на Ангаре, Насер (Садд-эль-Ааои) в Египте на Ниле. Самый большой полезный объём (без учета подпруженных озёр) имеют водохранилища Вольта, Насер, Братское, Кариба (на р. Замбези в Замбии и Зимбабве).

   

Назначение водохранилищ

Строительство и эксплуатация водохранилищ позволяет более рационально использовать водные ресурсы. Накопленную в водохранилищах воду используют для орошения и обводнения земель, водоснабжения населённых пунктов и промышленных предприятий, санитарных промывок речных русел, улучшения судоходных условий ниже по течению в маловодный период года и т. д. С помощью водохранилищ регулируют речной водный сток для гидроэнергетики, с целью предотвращения наводнений. Водохранилища используют также для рыбного хозяйства, водного транспорта, рекреации (отдыха людей), водного спорта.

Гидрологический режим водохранилищ управляется человеком, который выбирает заранее нужные параметры водоёма и технические приемы его эксплуатации. Многие черты гидрологического режима водохранилищ определяются хозяйственными потребностями и регулируются. Вместе с тем искусственно созданные водоёмы начинают участвовать в водообмене воды в речных системах, оказываются под влиянием комплекса природных факторов и подчиняются закономерностям, свойственным естественным водным объектам – рекам и особенно озёрам.

Водохранилища – своеобразные водные объекты, новый природно-техногенный компонент ландшафта. Они преобразуют режим рек, влияют (иногда – неблагоприятно) на окружающую среду.

   

Типы водохранилищ

Водохранилища могут быть подразделены на типы по характеру ложа, способу его заполнения водой, географическому положению, месту в речном бассейне, характеру регулирования стока.

По морфологическому строению ложа водохранилища делятся на долинные и котловинные. К долинным относятся водохранилища, ложем которых служит часть речной долины. Такие водохранилища возникают после сооружения на реке плотины. Главный признак таких водохранилищ – наличие уклона дна и увеличение глубин от верхней части водоёма к плотине. Долинные водохранилища подразделяются, в свою очередь, на русловые, находящиеся в пределах русла и низкой поймы реки, и пойменно-долинные, водой которых помимо русла затоплена также высокая пойма и иногда участки надпойменных террас. К котловинным водохранилищам относятся подпруженные (зарегулированные) озёра и водохранилища, расположенные в изолированных низинах и впадинах, в отгороженных с помощью дамб от моря заливах, лиманах, лагунах, эстуариях, а также в искусственных выемках (карьерах, копанях). Небольшие водохранилища площадью менее 1 км2 называют прудами.

По способу заполнения водой водохранилища бывают запрудные, когда их наполняет вода водотока, на котором они расположены, и наливные, когда вода в них подается из рядом расположенного водотока или водоёма. К наливным водохранилищам относятся, например, водохранилища гидроаккумулирующих электростанций.

По географическому положению водохранилища делят на горные, предгорные, равнинные и приморские. Первые из них сооружают на горных реках, они обычно узкие и глубокие и имеют напор, т. е. величину повышения уровня воды в реке в результате сооружения плотины, 100–300 м и более. В предгорных водохранилищах обычно высота напора 30–100 м. Равнинные водохранилища обычно широкие и мелкие, высота напора – не более 30 м. Приморские водохранилища с небольшим (несколько метров) напором, сооружают в морских заливах, лиманах, лагунах, эстуариях.

Примерами высоконапорных горных водохранилищ служат Нурекское и Рогунское на Вахше с высотой напора около 300 м. К предгорным водохранилищам могут быть отнесены некоторые водохранилища Енисейского и Ангарского каскадов: Красноярское (высота напора 100 м), Усть-Илимское (88 м). Примерами равнинных водохранилищ могут служить водохранилища Волжского и Днепровского каскадов: Рыбинское (высота напора 18 м), Куйбышевское (29 м), Волгоградское (27 м), Каневское (15 м), Каховское (16 м). К приморским водохранилищам относятся, например, опреснённая водами Дуная лагуна Сасык на западном побережье Чёрного моря на Украине, водохранилище Эйсселмер в Нидерландах, образованное в результате отчленения дамбой от Северного моря залива Зейдер-Зе и его опреснения водами Рейна.

По месту в речном бассейне водохранилища могут быть подразделены на верховые и низовые. Система водохранилищ на реке называется каскадом.

По степени регулирования речного стока водохранилища могут быть многолетнего, сезонного, недельного и суточного регулирования. Характер регулирования стока определяется назначением водохранилища и соотношением полезного объёма водохранилища и величины стока воды реки.

   

Основные характеристики водохранилищ

Для описания водохранилищ применимы те же показатели, что и для озёр. Из морфометрических характеристик водохранилища наиболее важны площадь его поверхности и объём вод. Форма водохранилища определяется характером заполненного водой понижения земной поверхности. Котловинные водохранилища обычно имеют озеровидную форму, долинные – вытянутую. Многие долинные водохранилища расширяются по направлению к плотине, имеют изрезанные берега и многочисленные заливы (затопленные устья притоков).

Любое водохранилище рассчитывается на накопление некоторого объёма воды в период наполнения и на сброс этого же объёма в период его сработки. Накопление нужного объёма воды сопровождается повышением уровня до некоторой оптимальной величины. Такой уровень обычно достигается к концу периода наполнения, может поддерживаться плотиной в течение длительного времени и называется нормальным подпорным уровнем (НПУ). В редких случаях, во время высокого половодья или крупных паводков, допускается временное превышение НПУ на 0,5–1 м. Такой уровень называют форсированным подпорным уровнем (ФПУ). Предельно возможным снижением уровня воды в водохранилище является достижение уровня мёртвого объёма (УМО), сработка объёма воды ниже которого технически вообще невозможна.

Объём водохранилища, находящийся ниже УМО, называется мёртвым объёмом (МО). Для регулирования стока и периодической сработки используется объём водохранилища, находящийся между УМО и НПУ. Этот объём называют полезным объёмом (ПО) водохранилища. Сумма полезного и мёртвого объёмов дает полный объём, или ёмкость водохранилища. Объём воды, заключённый между НПУ и ФПУ, называют резервным объёмом.

В пределах запрудного долинного водохранилища выделяют несколько зон: зону переменного подпора, верхнюю, среднюю и нижнюю.

   

Влияние водохранилищ на режим рек и окружающую среду

Главное воздействие водохранилищ на реки – это регулирование стока. Оно в большинстве случаев проявляется ниже по течению в уменьшении стока воды в половодье (его «срезка») и увеличении стока в маловодный период года (в межень). Сезонное регулирование стока водохранилищами ведёт к сглаживанию колебаний уровней воды ниже водохранилища в течение года.

Ниже водохранилищ полностью преображается водный режим рек, изменяются характер заливания поймы, русловые процессы, режим устьев рек и т. д. В областях недостаточного увлажнения воздействие водохранилищ приводит к высыханию речных пойм и дельт, что может нанести серьёзный ущерб хозяйству. Осушение пойм в зоне избыточного увлажнения – наоборот, явление положительное, способствующее их хозяйственному освоению.

Так же, как и озёра, водохранилища замедляют водообмен в гидрографической сети речных бассейнов. Сооружение водохранилищ привело к увеличению объёма вод суши приблизительно на 6,6 тыс. км3 и замедлению водообмена приблизительно в 4–5 раз. Наиболее сильно замедлился водообмен в речных системах Азии (в 14 раз) и Европы (в 7 раз). Для рек бывшего СССР водохранилища увеличили среднее время пребывания вод в речных системах с 22 до 89 суток, т. е. в 4 раза. После сооружения каскада водохранилищ водообмен в бассейнах рек Волги и Днепра замедлился в 7–11 раз.

Сооружение водохранилищ всегда ведёт к уменьшению как стока воды вследствие возрастания водозабора на хозяйственные нужды и дополнительных потерь на испарение с поверхности водоёма, так и стока наносов, биогенных и органических веществ вследствие их накопления в водоёме.

В результате сооружения водохранилищ возрастает поверхность, покрытая водой; поскольку испарение с водной поверхности всегда больше, чем с поверхности суши, потери на испарение также возрастают.

В условиях избыточного увлажнения (например, в тундре) испарение с водной поверхности ненамного превышает испарение с поверхности суши. Поэтому при избыточном увлажнении сооружение водохранилищ практически не сказывается на уменьшении водного стока рек. В условиях недостаточного увлажнения (например, в зоне степей), а в особенности в условиях засушливого климата (в пустынях и полупустынях), сооружение водохранилищ приводит к существенным потерям водного стока рек на дополнительное испарение.

Степень уменьшения речного стока в результате сооружения водохранилищ возрастает по территории Европейской части России с севера на юг.

Во всех водохранилищах мира в конце ХХ в. терялись на испарение 120 км3 воды в год, т.е. около 3% стока всех рек мира. Наибольшие потери речного стока свойственны водохранилищам Насер (8,3 км3/год) и Вольта (4,6 км3/год).

В то же время, водохранилища служат мощными поглотителями биогенных и загрязняющих веществ благодаря процессам их разложения и осаждения. Однако это положительное воздействие водохранилищ на качество воды может произойти лишь при правильном режиме эксплуатации водохранилища, при условии ограничения антропогенной нагрузки на качество воды и проведении природоохранных мероприятий на водосборе водоёма. В некоторых случаях требуется и реконструкция самого водохранилища.

В результате сооружения водохранилищ и отложения в них речных наносов существенно уменьшается их сток. Водохранилища действуют как «ловушки» для переносимых реками наносов. Отложение в водохранилищах мелких (взвешенных) наносов называют заилением водохранилища, отложение крупных (влекомых) наносов – его занесением. По некоторым современным оценкам, в ХХ в. сток наносов всех рек мира под влиянием водохранилищ уменьшился на 25%.

После сооружения водохранилищ сток наносов в устьях рек Волги, Риони, Дуная, Куры и Миссисипи сократился приблизительно в 2 раза, в устьях рек Сулака, Тибра и Нила – в 8–10 раз, в устье Эбро – в 250 раз (!). В последнем случае столь значительное уменьшение стока наносов объясняется близостью крупных водохранилищ к устью реки.

Уменьшение стока наносов рек вследствие их отложения в водохранилищах может вызвать нарушение баланса наносов в устьях рек и стимулировать частичное волновое разрушение дельты и соседних морских берегов, как это уже произошло в 1970-х гг. в устье Нила после возведения Высотной Асуанской плотины и создания водохранилища Насер, а также в устье Сулака после сооружения Чиркейского водохранилища в 1974 г. и в устье Эбро после строительства водохранилищ Мекиненса и Рибарроха в 1964 и 1969 гг. соответственно.

Заметное влияние водохранилища оказывают на термический и ледовый режим рек. Наиболее характерно выравнивающее воздействие водохранилищ на температуру воды в реке. Так, на Енисее ниже Красноярского водохранилища температура воды стала в мае–июне на 7–9°С и в июле–августе на 8–10°С ниже, а в сентябре на 8° и в октябре на 9°С выше, чем до зарегулирования реки.

Водохранилища оказывают заметное воздействие на природные условия сопредельных территорий. Сооружение крупных водохранилищ приводит к затоплению земель, повышению уровня грунтовых вод, способствующих подтоплению и заболачиванию территорий. Потеря земель при затоплении – наиболее существенное негативное последствие сооружения водохранилищ. По некоторым оценкам, суммарная площадь такого затопления в мире равна приблизительно 240 тыс. км2, что составляет 0,3% земельных ресурсов суши. Площади затопления на территории бывшего СССР составили порядка 80 тыс. км2. В результате сооружения водохранилищ озёрность территории России возросла до 4%.

Очевидно, что период строительства крупных водохранилищ, приводящих к большим затоплениям земель, окончился. В последнее время отдаётся явное предпочтение сооружению небольших водохранилищ, в частности, в горных и предгорных районах.

Водохранилища ведут к изменению микроклиматических условий (выравниванию внутригодовых колебаний температуры воздуха, усилению ветра, некоторому увеличению влажности воздуха и атмосферных осадков), волновому размыву берегов.

После сооружения водохранилища изменяется почвенно-растительный покров на затопленных и подтопленных землях. Полагают, что влияние водохранилищ распространяется на сопредельную территорию, приблизительно равную по площади самому водохранилищу. Кроме того, в результате сооружения водохранилищ часто ухудшаются условия прохода на нерест многих пород рыб; нередко ухудшается качество воды вследствие возникновения в некоторые периоды года дефицита кислорода в придонных слоях, накопления солей и биогенных веществ, цветения воды. Считают также, что сооружение водохранилищ может привести к увеличению сейсмичности в горных районах (дополнительный вес накопленных в водохранилище вод усиливает внутреннее напряжение в горных породах, нарушает их устойчивость и приводит к землетрясениям).

Таким образом, водохранилища оказывают довольно сложное и противоречивое воздействие и на режим рек, и на природные условия сопредельных территорий. Давая несомненный положительный экономический эффект, водохранилища нередко вызывают и весьма негативные экологические последствия. Всё это требует, чтобы при проектировании водохранилищ более внимательно учитывался весь комплекс гидрологических, физико-географических, социально-экономических и экологических аспектов. Возникает необходимость в экологическом прогнозе, который невозможен без помощи гидрологии.

Важное значение при этом имеют мероприятия, осуществляемые в процессе создания и эксплуатации водохранилища с целью предотвращения нежелательных последствий и максимального использования положительного эффекта от создания водохранилища. К таким мероприятиям относятся: инженерная защита от затопления территорий и объектов (населённых пунктов, сельскохозяйственных угодий, предприятий, мостов и т. д.); переселение жителей, перенос предприятий, дорог и т. д., очистка ложа водохранилища от леса и кустарников, создание водоохранных зон; восстановление лесных, рыбных, охотничьих и других ресурсов; транспортное, рыбохозяйственное, рекреационное и другое освоение водоёма, инженерное обустройство акватории и береговой зоны водохранилища и т. д.

В.Н. Михайлов, М.В. Михайлова