2.6.4. Гідрологія водосховищ

Водосховищами називають штучні водойми, створені для накопичення та використання води, а також регулювання стоку річок та тимчасових водотоків. Історія створення водосховищ налічує майже 5 000 років. Але їх гідрологічні дослідження розпочалися лише у XX столітті. Площі та об’єми найбільших водосховищ світу досягають значень характерних для середніх озер. Кількість всіх водосховищ складає біля 40 000.

Водосховища класифікують за різними ознаками: характером ложа, способом заповнення водою, географічним положенням, місцем в межах гідрографічної сітки, характером регулювання стоку.

За характером (морфологією) ложа виділяють:

1) долинні водосховища;

а) руслові;

б) заплавно-долинні;

2) котловинні водосховища;

а) котловинно-запрудні (підпружені озера);

б) котловинно-наливні (штучно заповнені природні котловини);

в) котловинно-приморські;

г) котловинні у штучних виїмках;

3) Малі водосховища (площею до 1 км²) — стави.

Приклади водосховищ наведені на рис. 2.78.

За способом заповнення водою виділяють запрудні та наливні водосховища.

За географічним положенням водосховища ділять на гірські (висота греблі до 300 м та більше); передгірські (напір 50-100 м); рівнинні (напір до 30 м) та приморські (напір в основному складає декілька метрів).

За місцем у річковій системі виділяють верхові, низові та водосховища каскадного розташування.

За характером регулювання стоку виділяють водосховища багаторічного, сезонного, тижневого та добового регулювання. Водосховища характеризують за допомогою певних стандартних показників. Вони можуть бути морфологічні, динамічні, гідрологічні, технічні, географічні. Рівень, який вважають оптимальним на майбутній багаторічний період використання водосховища називають нормальним підпірним рівнем (НПР), або нормальним підпірним горизонтом (НПГ). Значні його перевищення не допускаються. Підвищені рівні називаються форсованими. З різних причин пониження рівнів води у водосховищах можливі тільки до певної межі (мінімального значення). Це рівень мертвого об’єму (РМО). Відповідно до основних рівнів виділяють характерні об’єми (частини) водосховищ: мертвий об’єм (МО); корисний об’єм (КО) — між РМО та НПР, а також резервний об’єм (РО) — між НПР та форсованим рівнем. Відносно напірних споруд (наявність греблі) розрізняють поняття верхнього та нижнього б’єфу. Це ділянки річки (можливо разом з озером) розташовані вище та нижче греблі. У верхньому б’єфі можна виділити зони: змінного підпору, верхню, середню та нижню (найближчу до греблі).

Гідрологічний режим водосховищ включає водний, термічний та льодовий, гідрохімічний та гідробіологічний, режим наносів (замулення), режим переробки берегів, режим водних мас, а також санітарно-екологічний і геосистемний. Останні два пов’язані зі змінами та якістю середовища.

Водний режим водосховищ включає зміни складових та структуру водного балансу, зміни рівнів, динамічні явища. Більшість водосховищ це стоковоприточні водойми. Частка опадів та випаровування складає декілька відсотків. Лише для водосховищ з малим питомим водозбором, розташованих в областях жаркого клімату їх частка (і в основному випаровування) може досягати 15-25%. Крім притоку по головній річці для водосховищ окремо виділяють бокову приточність ( ). Її співвідношення з притоком по головній річці може бути досить різноманітним. Це залежить від термінів проходження повеней на паводків, а також від структури річкової сітки. Помічено також, що в умовах надлишкового та достатнього зволоження (водосховище збільшує стік), а в умовах недостатнього — (водосховища зменшують стік). Коефіцієнт зовнішнього водообміну у водосховищ більший ніж у озер. В основному він складає 1-10. Тобто період умовного водообміну змінюється від 1 року до 1 місяця. Для крупних водосховищ = 0,3 — 0,5 (тобто період водообміну — 2-3 роки).

Коливання рівнів води у верхньому та нижньому б’єфах відображають в основному процеси штучного регулювання стоку (рис. 2.79). Відповідно водний режим характеризується двома основними періодами: 1) наповнення; 2) спрацьовки. Перший з них як правило пов’язаний з проходженням повені, або паводку по головній річці. На рівнинних водосховищах амплітуди коливань рівнів досягають 5-7 метрів, а на гірських 50-80 м. Добові коливання (пов’язані з додатковим виробництвом електроенергії у нічні години) набагато менші. Найбільші коливання рівнів властиві нижній зоні верхнього б’єфу. У зоні виклинювання підпору їх хід подібний до річкового. У нижньому б’єфі під час спрацьовок утворюються штучні паводки, так-звані хвилі попусків. Вниз за течією вони поступово розпластуються. Для мілководь крупних водосховищ властиві також згоннонагонні коливання рівнів. Їх амплітуда може досягати 1 м та більше. При наявності каскаду водосховищ рівневий режим значно змінюється вздовж всієї річки.

Течії найбільш розвинуті (та вивчені) у крупних водосховищах. Вони утворюють складну систему. Найбільш чітко проявляються стокові, вітрові та компенсаційні. Їх швидкості складають сантиметри на секунду. Стокові течії проявляються у зоні виклинювання підпору та верхній ділянці водосховища. Також вони можуть бути пов’язані з крупними притоками. В нижній частині водосховища вони пов’язані зі скидами води через турбіни ГЕС, або через водозливні отвори. Такі течії розповсюджуються на декілька кілометрів від греблі (до 10-20 км та більше) і мають ближче до неї швидкості до 1-1,2 м/с, а далі — до 0,2-0,3 м/с. Вітрові та компенсаційні течії помітні в межах озероподібних розширень водосховищ. Вони нестійкі за напрямком та швидкістю, хоча і досить часті. У великих водосховищах виникають також поздовжберегові течії. Якщо два гудровузла розташовані близько і водосховище нижнього являється нижнім б’єфом верхнього, то при різкій зупинці його роботи в цьому водосховищі можуть утворитися від’ємні похили вільної поверхні і зворотна стокова течія. Це специфічний вид течій.

У водосховищах може розвиватися значне вітрове хвилювання. Зафіксовані хвилі висотою понад 3 м. Системи хвиль у водосховищах досить мінливі. Це у першу чергу пов’язано з наявністю мілин та порізаністю (складною конфігурацією) берегової лінії. На вузьких ділянках та у затоках декілька систем хвиль накладаються, часто утворюється товчея. Розвиток хвиль також залежить від рівнів води (наповненості водосховища).

Характерною рисою є утворення довгих хвиль у водосховищах. При різких попусках води рівні біля греблі швидко понижуються і утворюється довга зворотна хвиля, що охоплює всю товщу води і регресивно рухається вверх по водосховищу. При відбиванні її від берегів може утворитися і пряма хвиля. Довгі хвилі розповсюджуються на відстані 200-400 км та більше. Її фазова швидкість складає біля 40 км/год., а висота 20-60 см.

У водосховищах більш розвинуті процеси вимушеного перемішування ніж в озерах. Це пов’язано як із впливом головної річки та приток, так і з штучними факторами (попусками води та супутніми явищами).

Штучні фактори також впливають на особливості термічного та льодового режиму водосховищ. Основні відмінності — це нестабільність та складне поєднання рис річкового та озерного режиму. Озерний тип термічного режиму найбільш характерний для нижньої зони верхнього б’єфу. Тут спостерігається вертикальна температурна стратифікація. В інших частинах значний вплив здійснюють річкові води. Процеси розвитку температурної стратифікації також дещо подібні до мілководних озер.

Період льодових явищ на водосховищах, як і на озерах, дещо більший ніж на річках. Товщина льоду в цілому також більша. Але швидкі коливання рівнів розтягають та ускладнюють період та умови замерзання. Під час зимової спрацьовки на берегах залишаються (осідають) великі об’єми льоду.

Особливими є невеликі водосховища, які використовуються для охолодження вод ТЕС та АЕС. Тут температурний режим повністю залежить від скидів теплих вод.

У водосховищах формуються специфічні водні маси. З їх переміщенням пов’язані перенесення тепла, розчинених речовин (солі, гази), завислих органічних та мінеральних речовин. Для їх виділення використовується комплекс показників: температура, колір, прозорість, електропровідність, вміст окремих іонів. Формування водних мас та їх характерні особливості простежуються на протязі всього року. Розрізняють первинну (річкову) та основну водну масу, подібну до озерної. Роль річкових вод більша ніж для озер. Їх частка під час повені, або паводку може досягати 30-50%. У найглибших частинах водосховищ (біля греблі) може формуватися специфічна придонна водна маса. Трансформація річкових водних мас є загальною характерною рисою водосховищ, яка впливає також і на гідрохімічний та гідробіологічний режим. Це особливо чітко проявляється при їх поступових змінах у перший період після заповнення водосховища. Особливим є режим гірських, глибоких водосховищ.

Загальний процес відкладання наносів у водосховищах називається замуленням. Цей же термін відносять до процесів пов’язаних тільки з дрібними частками (завислими наносами). Для позначення процесів перевідкладання придонних наносів, що відбуваються у верхній частині водосховища, використовують термін — занесення. Воно проявляється у поступовому просуванні вниз гряди занесення і особливих руслових форм на її тілі. Замулення відбувається більш рівномірно по всьому дну водосховища. Замулюється в першу чергу мертвий об’єм. Період його замулення ( ) можна визначити за формулою:

(2.72)

де — мертвий об’єм (м³); — середній річний стік завислих наносів річки (м³); — частина стоку наносів, що проходять через водосховище транзитом. Для деяких рівнинних водосховищ вона може досягати 0,3-0,4, а для глибоких гірських водосховищ вона практично дорівнює нулю. Періоди замулення надзвичайно різні (від 10-15 років до багатьох сотень років). Вони визначають терміни ефективної експлуатації водосховищ та гідровузлів. Замулювання призводить до утворення специфічних гирлових ділянок річок у зоні виклинювання підпору, а також, разом з явищем підходу ґрунтових вод, може дати початок процесам болотоутворення.

У перший період розвитку водосховищ важливим і небезпечним процесом є також формування їх берегів та берегових відмілин. Внаслідок абразії формується береговий уступ та абразійна відмілина у верхній частині берегового схилу. Найбільш інтенсивно руйнуються береги складені рихлими породами. За перші 10 років існування водосховища берег може відступити на 200 м та більше. Але в скельних породах процес іде набагато повільніше. Найбільш крупні фракції продуктів руйнування ідуть на формування акумулятивної частини відмілини. А більш дрібні відкладаються у глибоких місцях. Особливою рисою водосховищ є те, що за рахунок періодичних змін рівнів води абразійні процеси можуть розвиватися в різних частинах берегового схилу. Внаслідок цього можуть утворюватися декілька абразійних відмілин.

Створення водосховищ змінює характер цілих регіонів: їх геосистеми, екосистеми, господарство, розміщення населення та інше. Змінюються мікроклімат, водний баланс, гідологічні явища та процеси, геоморфологічні явища та процеси, ландшафти, екосистеми. Зміни носять як позитивний так і негативний характер. Існують різні погляди на цю проблему, що відображає її масштаби та складність.