Что такое водохранилище: основные категории и характеристики. Назначение и типы водохранилищ

Если внимательно рассматривать карту России, то в разных ее регионах можно увидеть довольно крупные голубые пятна неправильной формы - водохранилища. Судя по их размеру, это настоящие моря, заключенные в глубине материка. Согласно статистическим данным, водохранилища России содержат в себе около 800 кубических километров пресной воды. Впечатляющая цифра.

Что называют водохранилищем? Как оно образуется? Какие функции выполняет в народном хозяйстве? Ответы на все эти вопросы - в нашей статье. Кроме того, вы узнаете о том, какое водохранилище в России самое крупное. Итак, начнем нашу виртуальную прогулку по искусственным морям страны.

Водохранилище - что это такое?

Водохранилищем в гидрологии принято называть довольно крупный водоем искусственного происхождения, образованный подпорным сооружением (дамбой или плотиной ГЭС) с целью накопления и дальнейшего использования воды для нужд хозяйства и населения. Сравнительно небольшие по площади искусственные водоемы также нередко называют прудами или ставками.

Силу текущей воды наши предки использовали с самых древних времен. Так, первые упоминания о водяных мельницах встречаются еще в древнерусских летописях. При таких мельницах, само собой разумеется, создавались небольшие прудики. Именно их и можно считать прототипами современных «искусственных морей».

Первые водохранилища в России начали создавать в начале XVIII века, во время соединения системой каналов Волги с Балтийским морем. В XIX веке искусственные водоемы активно использовались для судоходства, а также снабжали сотни промышленных заводов водой и электроэнергией.

В современной России водохранилища также исправно служат людям. В частности, они:

• Снабжают водой поля и сельскохозяйственные угодья в засушливых районах страны (через оросительные системы).
• Регулируют сток крупных рек и таким образом предотвращают наводнения и подтопления населенных пунктов.
• Создают условия для свободного перемещения крупногабаритных судов.
• Способствуют разведению многих ценных пород ихтиофауны.
• Создают условия для активного отдыха и рекреации местного населения (как летнего, так и зимнего).

Классификация водохранилищ

Существует большое количество классификаций водохранилищ. Их делят по характеру использования, площади поверхности, объему воды, глубине, местоположению и т. д. Так, исходя из строения дна, водохранилища бывают:

• Долинные (те, которые сформировались в речных долинах).
• Котловинные (образованные путем подпруживания озера, морского залива или лимана).

По местоположению водного объекта все водохранилища можно поделить на:

• Равнинные.
• Предгорные.
• Горные.

Наконец, по площади водного зеркала водохранилища делятся на:

• Малые (до 2 км 2).
• Небольшие (2-20 км 2).
• Средние (20-100 км 2).
• Большие (100-500 км 2).
• Очень большие (500-5 000 км 2).
• Крупнейшие (свыше 5 000 км 2).

Самые большие водохранилища России: список и названия

Россия - абсолютный лидер на планете по общему количеству искусственных водоемов. Здесь таковых насчитывается не менее 30 тысяч. Почти все водохранилища России были созданы уже после Второй мировой войны, преимущественно в 50-70-х годах ХХ века. По территории страны они размещены крайне неравномерно. Так, в азиатской части их примерно в десять раз меньше, чем в европейской.

Итак, крупнейшие водохранилища России (по площади):

1. Куйбышевское (6 500 км 2).
2. Братское (5 470 км 2).
3. Рыбинское (4 580 км 2).
4. Волгоградское (3 117 км 2).
5. Цимлянское (2 700 км 2).
6. Зейское (2 420 км 2).
7. Вилюйское (2 360 км 2).
8. Чебоксарское (2 190 км 2).
9. Красноярское (2 000 км 2).
10. Камское (1 910 км 2).

«Жигулевское море»

Площадь: 6 500 км 2 . Объем: 58 км 3 .

Самое большое водохранилище в России (и третье по величине в мире) - Куйбышевское. Его еще часто называют "Жигулевским морем". Оно возникло в 1957 году в результате возведения плотины одноименной ГЭС. Расположено на реке Волге, в пределах нескольких регионов РФ: Самарской и Ульяновской областей, Чувашии, Татарстана и Республики Марий Эл.

Протяженность Куйбышевского водохранилища - 500 км, а максимальная ширина - 40 км. Глубины не превышают сорока метров. Грандиозный водный резервуар находится в сердце крупнейшего промышленного края России. Жигулевская ГЭС ежегодно производит около 10 млрд. кВт-час электроэнергии. Само же водохранилище обеспечивает пресной водой более одного миллиона гектаров сельскохозяйственных угодий. Помимо всего прочего, Жигулевское море является популярной рекреационно-туристической зоной благодаря мягкому климату и живописности береговой линии.

Братское водохранилище

Площадь: 5 470 км 2 . Объем: 169 км 3 .

Братское водохранилище, расположенное на реке Ангаре, уступает Жигулевскому морю по площади, но во многом превышает его в объеме. Соответственно, и глубины водного резервуара относительно велики: в отдельных местах они достигают отметки в 150 метров.

Братская ГЭС, построенная в 1961 году, затопила огромное количество земель (включая знаменитый Братский Острог) и в то же время поспособствовала созданию мощнейшего промышленного кластера в азиатской части страны. В наши дни водоем активно используется для водоснабжения, сплава древесины и вылова рыбы. Его берега чрезвычайно сильно изрезаны. В местах впадения в Ангару других водотоков сформировались достаточно широкие и длинные заливы.

Рыбинское водохранилище

Площадь: 4 580 км 2 . Объем: 25 км 3 .

Второе по размеру водохранилище на Волге - Рыбинское. Оно расположено в пределах трех областей - Ярославской, Тверской и Вологодской.

Водохранилище отличается довольно необычной формой. 17 тысяч лет назад на его месте существовало крупное ледниковое озеро. Со временем оно высохло, оставив после себя обширную низменность. Ее заполнение началось в 1941 году в результате сооружения Рыбинского гидроузла. 130 тысяч человек пришлось переселить в другие места. Более того, создание Рыбинского водохранилища поглотило 250 тысяч гектаров лесов, около 70 тысяч га пашни и 30 тысяч га пастбищ.

Сегодня на берегах псевдоморя действует гигантская научная лаборатория, изучающая воздействие искусственных водоемов на природные комплексы тайги.

Полезный объем Wплз. нетто водохранилища уточняем, имея потерю воды из водохранилища на испарение, фильтрацию и льдообразование. Для этого предварительно определяем полный объем водохранилища Wср в каждом месяце и площадь щср.

Так, полный объем водохранилища

W = Wплз. нетто + Wмо,

где Wмо - мертвый объем водохранилища.

В связи с тем, что данные о мутности воды в задании отсутствуют, мертвый объем вычисляем ориентировочно. Допустим, что

Wмо? 0.1· Wплз. = 0.1·7.484 = 0.7484 млн. м3.

Значения полного объема записываем в графу 2 табл.3.

Затем определяем средние за месяц объемы водохранилища Wср, с которым с помощью топографических характеристик находим площадь зеркала щ.

Потери на испарение вычисляем за каждый месяц по формуле

где hи - слой испарения.

Результаты вычислений заносим в графу 6 табл.3.

Потери на фильтрацию Wф в каждом месяце находим по формуле

Wф = щi·kф·ni,

где kф = 0.003 м/сут,

ni - число дней в месяце.

Результаты заносим в графу 7 табл.3.

Потери на льдообразование

Wл = 0.9·kл· hл·(щн - щк),

где 0.9 - относительный вес льда;

kл - коэффициент постепенного нарастания толщины ледяного покрова, равный примерно 0.65;

hл - среднемноголетняя толщина льда к концу ледостава;

щн и щк - площадь зеркала водохранилища в начале и конце ледостава.

Распределяем объем потерь Wл на зимние месяцы (графа 8 табл.3), а затем находим сумму потерь воды (графа 9 табл.3).

С учетом этих потерь избытки уменьшатся, а недостатки увеличатся (графы 11 и 12 табл.3), поэтому полезный объем брутто составит

Wбр = 9.578 млн. м3.

Сброс соответственно уменьшится: 16.348 млн. м3

Тогда полный объем водохранилища составит

Wполн = Wмо + Wфр + Wфр = 0.7484 + 9.578 + 0 = 10.326 млн. м3.

Характерные уровни и емкости водохранилища

Основными характеристиками водохранилищ являются:

нормальный подпорный уровень НПУ, м;

уровень мёртвого объема УМО, м;

катастрофический подпорный уровень КПУ, м;

полный объем водохранилища W, млн. м3 или км3;

полезный объем водохранилища Wплз, млн. м3 или км3;

мертвый объем водохранилища Wмо, млн. м3 или км3;

объем форсировки водохранилища Wфс, млн. м3 или км3;

коэффициент емкости водохранилища в= Wплз/Wо,

где Wо - средний многолетний сток.

НПУ - уровень воды, до которого водохранилище заполняется в нормальных условиях.

Полный объем водохранилища W - объм, заключенный между дном чаши водохранилища и зеркалом воды на отметке НПУ. Полный объем W не целиком используется для регулирования стока. Нижняя часть водохранилища, предназначенная для поддержания минимальных уровней воды и осаждения в ней наносов, называется мертвым объемом Wмо и сработке не подлежит.

Объем водохранилища, заключенный между поверхностями воды на отметках НПУ и УМО, называется полезным объемом -- Wплз. В периоды многоводья он заполняется, а в периоды маловодья опорожняется. Объем, заключенный между поверхностями воды на отметках НПУ и КПУ, называется объемом форсировки. КПУ -- катастрофически подпертый уровень в период пропуска через гидроузел исключительно многоводных половодий или паводков. Объем, форсировки Wфс служит для уменьшения величины сбросных расходов через гидроузел.

Рисунок 2. Основные элементы водохранилища

Образование водохранилища вызывает изменения в режиме водотока. В верхнем бьефе эти изменения в основном сводятся к следующему:

повышаются уровни воды и увеличиваются глубины, чтосвязано с затоплением территории в пределах чаши водохранилища;

уменьшаются скорости течения, в результате чего происходит выпадение значительной части осадков;

увеличивается водное зеркало, в связи с чем происходит увеличение испарения, что ведет к повышению солености воды в водохранилище.

В нижнем бьефе происходят такие изменения: уменьшаются половодные и паводковые расходы и увеличиваются меженние; и происходит размыв русла ниже гидроузла. Кроме указанных изменений в водотоке в верхнем бьефе происходят следующие: затопление территории в пределах чаши водохранилища; подтопление прилегающих к водохранилищу земель и обрушение берегов водохранилища под воздействием волн.

Кроме постоянного затопления земель, занятых водохранилищем в пределах НПУ, хозяйственное использование которых невозможно, наблюдаются временные затопления территории выше НПУ во время катастрофических половодий и паводков, от нагона воды ветром на берега и от подъема уровней воды при заторах и зажорах. Хозяйственное использование временно затопляемых земель возможно. При подтоплении происходит подъем грунтовых вод, что резко ухудшает условия хозяйственного использования земель и требует осушительных мероприятий.

Характерные уровни воды и их отметки находим, используя топографические характеристики водохранилища:

НПУ, соответствующий наполнению Wполн = 10.326 млн. м3, на отметке НПУ = 131.8 м плотины равен

НПУ = НПУ - ПП = 131.8 - 120.0 = 11.8 м;

Уровень мертвого объема на отметке УМО = 121.2 м равен

УМО = УМО - ПП = 121.2 - 120.0 = 1.2 м;

Форсированный подпорный уровень ФПУ равен

ФПУ = НПУ + 2.0 = 13.8 м,

где ПП - отметка подошвы плотины.

Методика определения полезной емкости зависит от масштабности проекта и степени ответственности сооружения, режима регулирования стока (сезонного или многолетнего) и стадии проектирования.

В данной работе примем балансовый метод для расчетного года 75% обеспеченности, то есть будем определять емкость водохранилища по разности интегральной кривой стока и водопотребления.

Для расчета используется таблица расчета исполнения водохранилища.

Табл.12. Динамика наполнения водохранилища при регулировании расчетного года

Полезный объем водохранилища

Определение мёртвого объема водохранилища.

Мертвый объем водохранилища назначают из следующих соображений:

Заиление емкости водохранилища в результате отложения наносов должно произойти не раньше установленного периода (T заил = 50 лет);

В соответствии с санитарными требованиями глубина водохранилища должна быть не менее заданной отметки, которая устанавливается из условия предотвращения инфекционных заболеваний;

Недопущение полного промерзания емкости (h > 3м);

При наличии судоходства в ВБ глубина должна соответствовать требованию водного транспорта;

Так как в состав гидроузла входит ГЭС, напор, созданный при отметке МО должен обеспечивать проектную выработку электроэнергии и гарантированную мощность ГЭС.

Из всех видов емкостей выбирается максимальная.

Санитарный объем.

Принимается по величине попуска на разбавление

Объем заиления

Где S – среднемноголетний сток, S=457,27млн.м 3 ;

Мутность реки, кг/м 3 ;

r – доля влекомых насосов, r=0.04(0,05)

T заил – расчетный срок заиления водохранилища, Т заил =50лет;

– объемный вес отложений (насосов), =1100-1200кг/м 3

Требования ГЭС.

– отметка нижнего бьефа,

Для определения отметки нижнего бьефа при расходах нам необходима кривая расходов в нижнем бьефе.

Где t – среднее количество секунд в месяц, t = 2.63 млн.сек/мес;

W ГЭС i – объем воды для ГЭС за один месяц.

Следовательно, Н НБ =131,5 м

Находим объем ГЭС в верхнем бьефе

,

Для = 131,5 м получаем =113 млн.м 3

Общий обьем воды для ГЭС находим по формуле:

При получаем НПУ=168м.

Характерные емкости показаны на батиграфической кривой

Ак же наносим полный и мертвый объемы.

Уточняем площадь зеркала водохранилища при отметке НПУ =444м:

Выводы:

1. В проекте запроектирован ВХК в составе следующих участников: ГКБХ, СКБХ, промышленность, орошение, животноводство (КРС), рекреация, ТЭС, водный транспорт, рыбное хозяйство, ГЭС.

Проведен комплекс специальных водохозяйственных мероприятий по экономии водных и улучшению их качества (применили 5 методов управления):

1) Введение оборотной системы водоснабжения в промышленности;

2) Улучшение качества очистки сточных вод ГКБХ и рекреации;

3) Ограничение водопотребления в орошении и в животноводстве;

4) Снижение нагрузки на водный объект со стороны СКБХ, животноводства и орошения;

5) Повторное использование сточных вод животноводства на орошение;

6) Переброска части стока из смежного бассейна реки.

В результате расчетов ВХБ = 0,53 млн. м 3 . При этом снята необходимость многолетнего регулирования стока.

2. При расчете ВХБ в месячных интервалах времени наблюдаются дефициты воды в отдельные месяцы года (1,2,6,7,8,9,10,11,12), а в остальные месяцы (3,4,5) наблюдаются избытки воды.

3. Запроектировано водохранилище сезонного регулирования для снятия внутригодовых дефицитов водных ресурсов и повышения водообеспеченности с учетом санитарно-экологических требований.

4. В составе гидроузла предусмотрено водохранилище объемом W полн =179,9 млн. м 3 при отметке НПУ = 168 м, земляная плотина, высотой Н плот = 38 м, с открытым береговым водосбором и здание ГЭС руслового типа.

Список используемой литературы:

1. Комплексное использование и охрана природы. Под ред. В.В. Шабанова. – М.: Колос,1994.

2. Маркин В.Н., Раткович Л.Д., Соколова С.А. Разработка водохозяйственных мероприятий в бассейне реки. – М.: МГУП, 2011. 100 с.

3. Практикум по инженерной гидрологии и регулированию стока. Под ред. Е.Е. Овчарова. – М.: Колос, 1996.

4. Мелиорация и водное хозяйство. Т. 5. Водное хозяйство: Справочник / Под ред. Бородавченко И.И., - М.: Агропромиздат, 1988.

1. НПУ - наивысший уровень воды в водохранилище, который может поддерживаться в течение длительного времени в условиях нормальной эксплуатации. 2. УМО – низший уровень, до которого может срабатываться водохранилище при нормальном условии эксплуатации. 3. hср – глубина сработки водохранилища – толщина слоя воды между НПУ и УМО. hср≤Hmax 4. Hmax - максимальный напор, разница между НПУ и отметки уровня нижнего бьефа при прохождении гарантированного расхода. 5. Hmin - минимальный напор, разница между УМО и УНБ.

6. ФПУ – наивысший уровень, до которого кратковременно может наполнятся водохранилище. 7. hфор - толщина слоя между ФПУ и НПУ 8. Vплз – объем, заключенный между НПУ и УМО, который используется для регулирования стока. 9. VУМО – объем, заключенный ниже УМО, не срабатывается. 10. Vполн – объем водной массы, соответствующий НПУ. 11. Vфорс – объем, расположенный между ФПУ и НПУ, используется для срезки максимальных катастрофических половодий и паводков.

Vплз характеризуется относительной величиной β. Величина НПУ определяет максимальную площадь затопления и максимальный напор. Величина УМО определяет минимальный напор и минимальную площадь затопления. НПУ и УМО вместе определяют значения Qгар. Значения НПУ и УМО в ход водохозяйственных расчетов определяются вариантно: a) Назначается несколько значений НПУ. b) Для каждого значения НПУ рассчитывается оптимальный УМО. c) Из всех опытов расчета выбирается наиболее целесообразный по водо- и энергоотдаче и затратам на строительство и эксплуатацию.

УМО задается исходя из: Емкости, необходимой для аккумуляции наносов, которые будут поступать в водохранилище после его постройки; Максимальной водо- или энергоотдачи; Минимального напора, необходимого для работы гидроагрегатов; Обеспечения качества воды; Обеспечение биоценоза; Обеспечения минимальных глубин для судоходства.

Сооружение водохранилищ – это, по сути, важнейший способ человечества выжить на нашей планете. Роль водохранилищ во все времена была грандиозной: от накопления воды для бытовых нужд, орошения сельхозугодий, борьбы с наводнениями в древности до получения электроэнергии в наши дни. Первые водохранилища человек построил более 3 тысяч лет назад в Древнем Египте, Месопотамии и Китае. Позже такие сооружения стали возводить в Индии, Иране, и Сирии.

Представляем подборку пяти самых крупных мировых водохранилищ при гидроэлектростанциях. Наслаждайтесь видами!

1. Виктория, р. Нил (Уганда, ГЭС «Оуэн-Фолс»)
   Полный объем: 205 км 3
   Площадь: 76 000 км 2 (сопоставима с площадью такой страны, как Республика Панама)
   Длина: 320 км
   Ширина: 275 км
   Максимальная глубина: 83 м
   Высота плотины: 31 м
   Год начала строительства: 1947
   Год завершения заполнения: 1954
2. Братское, р. Ангара (Россия, ГЭС «Братская»)
   Полный объем: 169 км 3
   Площадь: 5470 км 2
   Длина: 570 км (равно расстоянию между двумя Европейскими столицами Прагой и Будапештом)
   Ширина: 25 км
   Максимальная глубина: 150 м
   Высота плотины: 124,5
   Год начала строительства: 1955
   

   

3. Кариба, р. Замбези (Замбия, Зимбабвэ, ГЭС «Кариба»)
   Полный объем: 160 км 3
   Площадь: 4450 км 2
   Длина: 220 км
   Ширина: 40 км
   Максимальная глубина: 78 м
   Высота плотины: 126 (это высота четырех девятиэтажных домов)
   Год начала строительства: 1957
   Год завершения заполнения: 1963

   

4. Насер, р. Нил (Египет, Судан, Асуанский гидроузел)
   Полный объем: 157 км 3
   Площадь: 5120 км 2
   Длина: 550 км
   Ширина: 35 км
   Максимальная глубина: 130 м (это в десять раз превышает глубину Азовского моря в его самой низкой точке)
   Высота плотины: 111 м
   Год начала строительства: 1960
   Год завершения заполнения: 1970

   

5. Вольта, р. Вольта (Гана, ГЭС «Акосомбо»)
   Полный объем: 147 км 3
   Площадь: 8500 км 2 (занимает почти 4% площади Ганы)
   Длина: 400 км
   Максимальная глубина: 80 м
   Высота плотины: 111 м
   Год начала строительства: 1961
   Год завершения заполнения: 1967

   

Интересно, что следующие по величине пять водохранилищ находятся именно в России: Красноярское, Зейское, Усть-Илимское, Куйбышевское, Байкальское (Иркутское).