11.5. Проблемы создания озерных водохранилищ

После второй мировой войны на территории Беларуси в результате интенсивного хозяйственного использования озерного фонда и проведения мелиоративных работ было создано девятнадцать водо­хранилищ на базе существующих озер. Кроме того, вследствие прове­дения осушительных мелиорации естественный уровень воды некоторых озер был зарегулирован или понижен. Существенные изменения в гидрологическом режиме озер произошли на их водосборах, под­верженных мелиоративному переустройству (озера Червоное, Спо-ровсксе, Черное). На мелководных зарастающих озерах была органи­зована добыча высокоорганических донных отложений (озера Червоное, Мотоль и др.). За этот продолжительный период накопился зна­чительный опыт проектирования и эксплуатации водохранилищ озерного типа, изменения естественного режима озер, изучения влияния озерных водохранилищ на природную среду.

В перспективе создание озерных водохранилищ рассматривается как один из путей рационального использования водных ресурсов при разработке схем комплексного использования природных ресурсов в бассейнах рек. Так, только в бассейне реки Западная Двина по различ­ным вариантам предусматривается создание достаточно большого ко­личества водохранилищ озерного типа.

В результате многолетних исследований озер как находящихся в естественном, так и в зарегулированном состоянии, позволили выявить наиболее общие закономерности развития их гидроэкосистем и разработать настоящие рекомендации.

При системном анализе и обобщении полевых материалов в ка­честве эталонных водных объектов рассматривались озера, которые находится в не затронутых хозяйственной деятельностью условиях и развиваются (эволюционируют) по направлениям, соответствующим эволюционному генетическому ряду лимносистем.

Гидроэкологические предпосылки создания озерных водохранилищ определяются небольшой площадью прямого затопления сельскохозяйственных земель и менее существенными изменениями в окружающей природной среде. На всех этапах обоснования и создания озерных водохранилищ должны учитываться стадии развития отдельных процессов и водохранилища в целом, особенности формирования новой гидроэкосистемы.

Различают четыре стадии эволюции озерных водохранилищ, которые определяют особенности и сроки развития отдельных лимни-ческих процессов. Озерная стадия, отражающая состояние естественного озера на определенном трофическом уровне, или первоначальная озерная. Стадия становления, релаксации, сопровождающаяся активиза­цией абиотических факторов и внутриводоемной структурной пере­стройки; процесс релаксации наблюдается при низких напорах (менее 1 м), не сопровождается коренной перестройкой экосистемы. Стадия деэволюции, снижения уровня трофности озера, выпадения отдельных гидробионтов, нарушения компенсаторных механизмов, обеспечивающих в естественных условиях равновесное состояние лимносистемы. Стабилизации, или сбалансированности абиотических и биотических факторов при новом уровневом режиме озера (озерного водохранилища), формирования нового омоложенного статуса озера. Озерная стадия (вторичная озерная), на которую озерное водохранилище переходит после продолжительной эксплуатации.

Стадия релаксации сопровождается нарушением внутренней структуры и равновесного состояния лимносистемы. Как следствие релаксации — формирование неустойчивой гидроэкосистемы при слабом внешнем изменении. Деэволюция озера характеризуется увеличением объема, ак­тивизацией абиотических факторов (сменой формы озерной котлови­ны, активизацией береговых процессов, переформированием ложа, занесением ложа минеральными отложениями, заложением и формированием литоральной зоны на новом гипсографическом уровне) и становлением тпобического уровня (статуса) нового водоема; расселением водной растительности на вновь сформировавшихся отмелях при новых гидродинамических условиях и формированием нового гидробиологического режима.

Трансформация природных условий приводит к изменениям природных связей в лимносистеме: чем значительнее подъем уровня, меняется форма котловины и объем озера, тем значительнее измене­ния гидродинамических условий и глубина трансформации лимно­системы и перестройка в биоценозах. Каждой стадии эволюции озерных водохранилищ характерно поэтапное развитие отдельных лимнических процессов: формирования берегов, заиления, зарастания ложа, формирования гидрохимического режима, динамически устойчивое состояние которых восстанавливается к вторичной озерной стадии развития, но на новом трофическом уровне.

Озеро, на базе которого создается водохранилище, является неотъемлемой частью природы, имеет определенный уровень трофии , или статус, отличается, как правило, сбалансированностью биотических и абиотических факторов.

Создание нового водного объекта — озерного водохранилища — должно быть направлено на омоложение озера с минимальными изменениями окружающей природной среды.

Для производства расчетов и проектных работ используются следующие исходные материалы: топографические карты зоны за­топления, побережий, инженерно-геологическая карта района, гео­морфологическая и гидрогеологическая карты, графики колебания уровня озера, озерного водохранилища, диспетчерский график, про­филя нивелировки котловины озера.

Увеличение объемов воды озерных водохранилищ достигается тремя основными способами: подпруживанием уровня озера, частичным или полным обвалованием озерной котловины, дноуглублением или сочетанием перечисленных способов (табл. 11.2). По удельному увеличению площади затопления, определяемому как отношение приращиваемой площади водоема к первоначальному, озерные водохранилища подразделяются на водоемы с незначительной (до 0,1), существенной (0,1 – 0,3), значительной (0,3 – 1,0) м весьма значительной (более 1) трансформацией поверхности. Предпочтение отдается

Таблица 11.2

Методы достижения дополнительных зарегулированных объемов озерных водохранилищ

Степень увеличения озерного водоема	Дополнительное увеличение объемов, %	Способы увеличения зарегулированного объема
		подпружи-ванием	обвалованием	Дноуглубле нием
Весьма незна чительная	До 5	+
Незначительная	5-Ю	+
Существенная	10-5-	+
Значительная	50-100	+	_..	+
Весьма значи тельная	Более 100	+	н-	+

проектам с незначительным или существенным увеличением площади будущего водоема. Оптимальная форма озерного водохранилища в плане достигается путем обвалования озера и проведения дноуглубительных работ, и придания ей овальной или формы, близкой к правильной геометрической фигуре. Показателем формы котловины озерного водохранилища является коэффициент развития береговой линии (т), определяемый как отношение длины береговой линии (8) к длине окружности круга (1) равновеликой площади нового водоема. Оптимальным показателем формы котловины озерного водохранилища является значение коэффициента близкого к 1, характеризующего водоем как близкий к овальному.

Форма озерной котловины определяет укрытость водоема к ветровому перемешиванию и условия стратифицированное™ водных масс, газовый режим водоема. С увеличением максимальной и средней глубины, показателя формы котловин возрастает коничность в существовавшей ранее форме котловины и, соответственно, верти­кальная (термическая и газовая) неоднородность водных масс.

Для оценки трансформации озерной котловины служит показатель ее формы, определяемый по формуле:

а = (Н - Н_ср) / Н_ср, где а — показатель формы котловины; Н — максимальная, Н_ср. сред­няя глубины водоема. Для озер конической формы а = 2; конически вогнутых а = более 2; конически выпуклых а — менее 2 и параболо-идной формы а — близок к 1.

Определение НПУ и УМО озерного водохранилища является определяющим фактором при расчете полезного и полного объемов, прогнозировании его гидрологического режима и лимнических про­цессов. Положение нормального подпорного уровня озерного водо­хранилища (НПУ) определяет величины зон прямого затопления и возможных подтоплений и величину переработки берегов. Уровень мертвого объема (УМО) определяет степень воздействия регулирующих мероприятий на экосистему озера. Объем воды, находящийся ниже мертвого объема, не должен участвовать в регулировании стока.

В подготовительный период по опросным сведениям и по косвенным материалам определяются возможные положения макси­мальных и минимальных уровней озера в зарегулированном состоянии, планируемого вида регулирования и его воздействия на прилегающую к новому водоему территорию.

По топографическим картам определяются границы озера в позднеголоценовое время. Особое внимание уделяется наличию и по­ложению озерных террас и поймы, других морфологических элементов.

При наличии материалов наблюдений за уровневым режимом озера определяются минимальный, максимальный уровни и многолетняя (вековая) амплитуда колебания уровня озера. Возможные экологически безопасные положения уровня будущего водоема определяются с учетом его многолетней амплитуды колебания и морфологии берегов и склонов (рис. 11.1). Максимально возможная величина подъема уровня воды озера (Н) может лимитироваться площадями затопления и образованием значительных по площади участков мелководий. Глубины в прибрежной литоральной зоне (h₁, h₂) должны быть близкими к 2 м.

Призма сработки уровня озерного водохранилища до УМО ограничивается наименьшим положением меженного уровня воды озера в естественном состоянии за многолетний период. Полезная емкость озерного водохранилища, регулируемая часть общей емкости, определяется положениями НПУ и УМО. Полный объем водохранилища соответствует отметке НПУ и равен сумме полезного объема и объема озера, наблюдавшегося ранее при минимальном его уровне.

Рис. 11.1. Определение величины вероятного подъема уровня воды озера. Ah, — многолетняя амплитуда колебания уровня воды озера; Н₁, Н₂ — максимально возможные величины подъема уровня воды озера; h₁, h₂ — глубины в мелководной (литоральной) зоне водохранилища при разной величине подъема уровня

Объем форсирования озерного водохранилища используется для срезки половодий и паводков. Объем при уровне форсирования (УФ) устанавливается расчетами трансформации половодий и технико-экономическими расчетами. Водохозяйственные расчеты и технико-экономическое обоснование основных параметров водохранилища должны базироваться на учете водохозяйственного баланса с прогнозом на 15 – 20 лет, период, соответствующий стадии становления озерного водохранилищ назначения водоема, санитарных норм и требований рыбоохраны.

Обоснование развития береговой зоны. Основными типами абразионных берегов, которые развивются на озерных водохранилищах являются: обвальный, осыпной и оползневой. Оползневой тип берегового процесса характерен искличительно для берегов озерных водохранилищ.

Для озерных водохранилищ характерна двухфазная моде: формирования абразионных (неустойчивых) типов берегов (рис. 11.2).

Процесс формирования берегов протекает в несколько ст дий: стабильной береговой линии (озерная), становления (резкой активизации процесса переформирования берега), затухания процес переформирования и стабилизации береговой линии.

Период становления берегов и выработки на них профи равновесия продолжается около 30 – 40 лет и завершается к воссл новлению озерного режима, т.е. озерного водохранилища на новом трофическом уровне.

Рис. 11.2. Двухфазная модель развития неустойчивых берегов озерного водохранилища

При планировании подъема уровня озера и для снижения интенсивности размыва берегов уровень подбирается с таким расчетом, чтобы затапливаемая прибрежная зона служила литоральной зоной нового водоема и барьером для гашения ветроволновой энергии (рис. 11.2). Прогнозирование берегообрушения на особо опасных участках проводится в соответствии с существующими методическими рекомендациями и рангом водоема. На особо опасных участках берегов но­вого водоема и значимых по величине обрушения планируются бере­гозащитные мероприятия.

Конфигурация береговой линии озерного водохранилища ус­танавливается с учетом оптимального соотношения площади нового водоема и длины береговой линии, определяемого по табл. 11.3.

Таблица 11.3

Оптимальное соотношение площади озерных водохранилищ

и длины их береговой линии

Площадь озерного водохранилища, км	10	20	30	40	50	60	70	80
Длина береговой линии, км	14	18	25	32	36	47	50	58

Для установления динамически устойчивой береговой линии на особо опасных участках водохранилища устанавливают искусственную извилистость берега в виде дуг разного порядка с интервалом прогиба 0,05 в пределах от 0,1 до 0,25 с увеличением порядка, т. е. уменьшением размеров дуг и выступов.

Для установления равновесной береговой линии на конечную стадию ее развития по формуле Y = k D sin α, где Y — длина мысов, D — длина разгона волн до точки ее трансформации на мелководье, α — угол подхода волн к берегу, k — коэффициент пропорциональности, зависящий от порядка и степени прогиба равновесных береговых дуг.

Для определения параметров внешних и внутренних береговых дуг для равновесной береговой линии пользуются зависимостью У = С R, где Y — длина опорных мысов, R — радиус дуг, С — величина прогиба дуг, определяемая соотношением С = Y/R.