Определение полезной емкости водохранилища. Где находится самое большое водохранилище в России

Водохранилища представляют собой искусственные объекты, они созданы при возведении водонапорных конструкций (плотин), устанавливаемых в долинах крупных рек, чтобы накопить и сохранить большие объемы воды, они решают ряд таких проблемы как:

• Развитие гидроэнергетики;
• Водоснабжение;
• Развитие судоходства;
• Хозяйственное орошение;
• Борьба с наводнениями;
• Благоустройство территории.

Бывают озерного и речного типа. На территории России построено много водохранилищ (из них 41 - крупнейшие, 64 - крупные, 210 - средние и 19о7 - малые), большинство во второй половине ХХ века, некоторые из них входят в число самых больших водохранилищ мира.

Крупные водохранилища России

Самыми крупными по площади водохранилищами в России являются Куйбышевское (Самарское), Братское, Рыбинское, Волгоградское, Красноярское (входят в первую десятку мира), Цимлянское, Зейское, Вилюйское, Чебоксарское, Камское.

Куйбышевское (Самарское водохранилище), его площадь 6,5 тыс. км 2 , - это самое большое водохранилище, построенное на реке Волге в 1955-1957 годах и третье по площади водохранилище в мире. Нижнюю часть еще называют Жигулевским морем, по названию построенной вблизи Жигулевской ГЭС на Жигулевских горах вблизи города Тольятти. Название водохранилищу дал город Самара (Куйбышев с 19135 по 1991 год), расположенный вниз по течению. Основным предназначением водохранилища является производство электроэнергии, улучшение качества судоходства, водоснабжение, орошение, рыболовство...

Братское водохранилище (площадь 5,47 тыс. км 2) расположенное в Иркутской области на реке Ангаре является вторым по объему хранящейся воды водохранилищем в мире (169 м 3). Оно было построено в1961 -1967 гг. (в 1961 была поставлена плотина, до 1967 года велось наполнение водохранилища водой) в результате строительства Братской ГЭС. Названо в честь города Братска административного центра Иркутской области, построенного на его берегах. Водохранилище используют для генерирования электроэнергии, в судоходстве и промысловой добыче рыбы, для сплава древесины, водоснабжении и ирригации...

Рыбинское водохранилище площадью 4,6 тыс. км 2 , входит в состав Рыбинского гидроузла на реке Волге и её притоках Шексна и Молога на северо-западе Ярославской области, частично на территории Вологодской и Тверской областей. Строительство было начато в 1935 году на месте древнего ледникового озера, планировалось, что это будет самое крупное в мире озеро искусственного происхождения. Наполнение чаши длилось до 1947 года, для это было затоплено почти 4 тыс. км 2 окружающих лесов и было переселено население 663 поселков и деревень (133 тыс. человек) вокруг города Мологи. Водохранилище используется для работы Волжского каскада ГЭС, ловли рыбы и судоходства...

Строительство Волгоградского водохранилища длилось с 1958 по 1961 год, оно возникло при возведении плотины Волгоградской ГЭС на реке Волге (территория Саратовской и Волгоградской областей). Его площадь - 3,1 тыс. км 2 , на его берегах построены такие города как Саратов, Энгельс, Маркс, Камышин, Дубовка. Используется для производства электроэнергии, перемещения водных видов транспорта, орошения и водоснабжения...

Цимлянское водохранилище появилось после возведения плотины на реке Дон, город Цимлянск в Ростовской и Волгоградской областях (67 % площади) в 1952 году. Его заполнение длилось по 1953 год, начало строительства - 1948 год. Его площадь - 2,7 тыс. км 2 , имеет вид котловины с тремя расширениями для устьев таких рек как Чир, Аксай Курмоярский и Цимла, также помимо них сюда впадает еще 10 рек. Используется для обеспечения транзитного судоходства по Волго-Донскому каналу, орошение засушливых прилегающих земель, работа Цимлянской ГЭС. Также на берегу водохранилища функционирует Ростовская АЭС, находятся города-порты - Волгодонск, Калач-на-Дону...

Строительство Зейского водохранилища площадью 2,4 тыс. км 2 длилось с 1974 по 1980 год. Оно построено на реке Зея (Амурская область РФ) в результате возведения плотины. По объёмам хранящейся там воды (68,4 км 3) - это третье место после Братского (169 км 3) и Красноярского (73,3 км 3) водохранилищ. Здесь ведется промысловая добыча рыбы, работает Зейская ГЭС, также водохранилище регулирует сток Амура, который подвержен влиянию тихоокеанских муссонов...

Вилюйское водохранилище находится на реке Вилюй (приток Лены), оно появилось в результате возведения плотины Вилюйской ГЭС в 1961-1967 годах. Оно расположено в Якутии на границе с Иркутской областью, его площадь - 2,36 тыс. км 2 , используется с целью регулирования годового стока реки Вилюй, как источник водоснабжения, орошения, для судоходства и рыбного промысла...

Чебоксарское водохранилище на реке Волга (территория Республики Марий Эл, Чувашской Республики и Новгородской области) является частью Волго-Камского каскада ГЭС. Площадь - 2,1 тыс. км 2 , оно появилось в результате возведения плотины Чебоксарской ГЭС, строительство которой велось с 1980 по 1982 год. Используется для производства электроэнергии, рыболовства, теплоходного судоходства...

Камское водохранилище образовано на реке Каме в Пермском крае РФ при строительстве Камской ГЭС, которая вступила в эксплуатацию в 1954 году после возведения плотины. Его площадь - 1,9 тыс. км 2 , на его берегах расположена Пермская ГРЭС. Также на так называемом Камском море каждый год проходит парусная регата «Кубок Камы» - крупнейшее спортивное состязание на территории Пермского края...

Водные богатства, которыми столь обильна наша страна, распределены по её территории не слишком равномерно.


В некоторых местностях наблюдается избыток водных ресурсов, в других же, наоборот, ощущается постоянный недостаток пресной воды. Но особенно чувствительными для хозяйственной деятельности являются сезонные колебания уровня рек. Чтобы снизить их влияние и сделать речной сток более равномерным, в предыдущем столетии была создана обширная сеть водохранилищ – искусственных водоёмов различной вместимости.

Что такое водохранилище?

Как понятно из названия, водохранилище – это искусственное сооружение, специально предназначенное для хранения воды. По своему размеру оно вполне сравнимо с крупным или средним озером: подавляющее большинство водохранилищ вмещают более миллиона кубометров воды, а крупнейшие из них имеют объём, превышающий 500 миллионов кубометров.

Они создаются, как правило, в путём перегораживания русла реки плотиной. Существуют, кроме того, водохранилища озёрного типа, когда избыток воды сбрасывается в озеро, а затем по мере необходимости поступает оттуда в речную систему или систему каналов.

Вода, находящаяся в водохранилище, не пребывает в полной неподвижности, как в озере, и сохраняет поступательное движение речного течения, однако оно существенно замедлено по сравнению с рекой. Кроме того, для водоёмов этого типа характерными являются:

— значительные сезонные колебания уровня воды, который повышается весной и осенью, постепенно снижаясь в течение зимнего и летнего сезонов;

— более холодная вода, чем в озёрах, из-за непрекращающегося течения;

— замерзание мелких водохранилищ раньше, а крупных – позже рек, причём таяние льда наблюдается позже, чем у рек, и в тех, и в других случаях;

Помимо чаши, в состав любого водохранилища обязательно входит дамба (плотина), которая устанавливается поперёк течения реки, а также станция очистки воды. Глубина дна возле дамбы, как правило, намного больше, чем возле противоположного дамбе берега.

Для чего нужны водохранилища?

В настоящее время водохранилища существуют во многих странах мира и на всех континентах, кроме Австралии.


Необходимость в них вызвана сезонными колебаниями уровня речной воды. В нашей стране во время весеннего половодья по руслам рек протекает, в зависимости от региона, до 70% общегодового стока речных вод.

В зимнюю и летнюю , напротив, ощущается резкий недостаток воды в реке, причём именно тогда, когда она необходима. Строительство водохранилищ позволило решить эту проблему: избыточная вода аккумулируется в водохранилище, а затем постепенно сбрасывается в реку, чем поддерживается её более-менее постоянный уровень.

Наличие водохранилищ оказывает позитивное влияние на хозяйственную деятельность человека. С их помощью:

— снижается риск наводнений, затопления жилых домов, сельхозугодий, промышленных предприятий и т.д.;

— улучшаются условия для плавания речного транспорта, появляется возможность эксплуатации крупных глубоководных судов, более рентабельных, чем мелкие;

— создаются каскады гидроэлектростанций для выработки дешёвой электроэнергии без загрязнения среды;

— создаются рыбоводческие хозяйства для разведения ценных пород речной рыбы;

— увеличивается пространство рекреационных зон.

В то же время существуют и негативные стороны создания водохранилищ, которые выражаются в нарушении сложившихся экосистем, затоплении большого количества пахотных земель, иногда даже с населёнными пунктами, из-за чего приходится переселять людей, в заболачивании территорий, расположенных выше плотины по течению реки и т.д.

Водохранилища: история и современность

Необходимость в строительстве водохранилищ человечество испытывало с тех пор, как вокруг оседлых поселений хлебопашцев начали складываться первые государства. Небольшие водохранилища существовали ещё в Древнем Египте: в них земледельцы запасали воду во время разлива Нила, а затем понемногу расходовали для орошения земель. Водохранилища существовали в древних Китае и Индии, а затем в средневековой Европе. Но лишь с приходом века пара и электричества энергию течения рек стали использовать в промышленном производстве.


Наибольшее число водохранилищ, существующих в настоящее время, были построены в 50-60-е годы ХХ века. Их сооружение продолжалось и позже, но уже не так активно. Сегодня во всём мире существует около 30 000 водохранилищ, общий объём воды в которых достигает 6 000 кубических километров.

В хозяйственной деятельности используется порядка 3500 кубических километров воды – количество, примерно равное десятой доле суммарного годового стока всех рек мира. При этом затоплению подверглись территории общей площадью до 350 000 квадратных километров.

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.

Основными характеристиками водохранилища являются объём, площадь зеркала и изменение уровней воды в условиях его эксплуатации. При создании водохранилищ существенно изменяется и речных долин, а также гидрологический режим реки в пределах подпора. Изменения гидрологического режима, вызываемые созданием водохранилищ, происходят и в нижнем бьефе (части реки примыкающей к платине, шлюзу) гидроузлов. Иногда такие изменения заметны на протяжении десятков и даже сотен километров. Одним из последствий создания водохранилищ является уменьшение половодий. В результате этого ухудшаются условия нереста рыб и роста трав на пойменных . При создании водохранилищ также уменьшается скорость течения реки, что является причиной заиливания водохранилищ.

Красноярское водохранилище (фото Максима Герасименко)

Водохранилища размещаются на территории России неравномерно: в европейской части их более тысячи, а в азиатской – около ста. Общий объём российских водохранилищ составляет около одного миллиона м2. Искусственные водоёмы сильно изменили главную реку — и некоторые её притоки. На них создано 13 водохранилищ. Строительство их началось ещё в середине XIX века, когда в верховьях реки соорудили водоподпорную плотину. Спустя без малого сто лет было залито Иваньковское водохранилище , которое часто называют Московским морем. От него начинается канал, соединяющий реку со столицей.

Рыбинское водохранилище (фото Евгения Гусева)

Рыбинское водохранилище по площади сравнимо с крупнейшими озёрами . В результате затопления широких долин левых притоков Волги (Шексны и Мологи) образовался водоём шириной до 60 км и длиной 140 км, изобилующий множеством заливов, и .

Плотина Куйбышевского водохранилища подняла уровень воды в Волге на 26 м и затопило пойму реки на площади почти 6,5 тысяч км2. При создании водохранилища пришлось перенести около 300 населённых пунктов на новое место, а город Свияжск и вовсе оказался островным. На этом водохранилище даже возможны довольно крупные штормы (высота волн иногда превышает 3 м).

Пятнадцать крупнейших водохранилищ мира находятся в и на Дальнем Востоке. Их строительство велось в второй половине прошлого века. Плотины возводились главным образом на многоводных реках: , Вилюе, Зее. При этом из-за было затоплено относительно небольшие территории. Длина большинства водохранилищ этого района значительна: от 150 км (Колымское) до 565 км (Братское) . А вот ширина относительно невелика, за исключением некоторых участков, где вода разливается до 15-33 км. После устройства Байкальского водохранилища 60-километровый участок Ангары стал практически единым целым с , а уровень озера поднялся на метр.

Саяно-Шушенское водохранилище (фото Павла Иванова)

Самое большое водохранилище — Братское имеет довольно своеобразную форму: широкие плёсы здесь сочетаются с длинными извилистыми заливами. Амплитуда колебания уровня доходит до 10 м. Водохранилище имеет большое значение для судоходства и лесосплава, а также для водоснабжения.

Саяно-Шушенское водохранилище затопило долину Енисея на протяжении более 300 км, но по ширине небольшое — до 9 км. Колебание уровней — до 40 м. Плотина Красноярского водохранилища находится на узком (шириной до 800 м) участке в долине Енисея. Она примечательна своим уникальным подъемником. Суда, подходя к плотине, заходят в наполненную водой камеру, которая переносит их через плотину вниз по течению. Суда, идущие вверх по течению, для этого приходится поднимать на стометровую высоту.

Созданные водохранилища позволили повысить качество коммунального и промышленного водоснабжения больших городов, крупных . Параметры водохранилищ страны колеблются в широких пределах: полный объем от 1 до 169 миллионов м2. Площадь водного зеркала от 0,2 — 0,5 до 5900 км2. Существенным образом различаются длина, ширина, наибольшая и средняя глубины. Максимальная длина крупных равнинных и плоскогорных водохранилищ достигает 400 — 565 км, горных 100 — 110 км, а ширина — до нескольких десятков километров. Самые глубокие водохранилища от 200 — 300 м находятся в долинах крупных горных рек (Ингурское, Чиркейское,) до 70 — 105 м — в плоскогорных и предгорных районах (Братское, Красноярское, Богучанское, Бухтарминское). В больших равнинных водохранилищах глубины не превышают 20 — 30 м.

Водохранилища России

Крупнейшие водохранилища России

Параметры водохранилища, характеризующие его размеры, устанавливают на основе водохозяйственного расчета. При этом полный объем воды в водохранилище принято подразделять на мертвый и полезный (рис. 1).

Рис. 1 План и схематический продольный профиль водохранилища

Мертвый объем (V умо) - это постоянная часть полного объема водохранилища, которая в нормальных условиях эксплуатации не срабатывается и в регулировании стока не участвует. Уровень поверхности воды, ограничивающий этот объем сверху, называют уровнем мертвого объема (УМО). Это минимальный уровень водохранилища, до которого возможна его сработка в условиях нормальной эксплуатации.

Полезный объем (Vп лз) - основной объем водохранилища, предназначенный и используемый для регулирования стока. Он ограничен сверху нормальным подпорным уровнем (НПУ), то есть наивысшим проектным подпорным уровнем верхнего бьефа, который может поддерживаться в нормальных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений, а снизу - УМО.

Полнный объем водохранилища соответствует отметке НПУ и равен сумме полезного и мертвого объемов:

V плн = V НПУ = V УМО + V плз. (1)

Подпорный уровень выше нормального, временно допускаемый в верхнем бьефе в чрезвычайных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений называют форсированным подпорным уровнем (ФПУ). Он ограничивает сверху объем воды, находящейся в водохранилище выше НПУ, который называют форсированным или резервным, объемом (V ФПУ).

Главная задача водохозяйственного расчета водохранилища является определение полезного и мертвого объемов, а также выбора НПУ и УМО.

Полезный объем водохранилища и соответствующий ему НПУ определяются в результате сопоставления технико-экономических показателей различный вариантов водохранилищ.

Мертвый объем V УМО и соответствующий ему УМО определяют ряд условий и соображений:

- прежде всего учитывается количество (или объем) транспортирующих с рекой наносов. В этих случаях мертвый объем необходим для аккумуляции твердого стока, чтобы предотвратить уменьшение полезного объема в течение расчетного срока службы водохранилища;

На водохранилищах, используемых для коммунально бытового водоснабжения и рыбного хозяйства, определяющим фактором для определения мертвого объема является санитарно-технические требования и условия обеспечения необходимого качества воды;

При транспортном использовании водохранилищ УМО определяют как минимадбный навигационный уровень, обеспечивающий необходимые глубины для судоходства;

На ГЭС УМО назначают из условия нормальной работы агрегатов гидростанций, в частности турбин;

Наконец, во избежании прогрева воды, зарастания водохранилищ и ухудшения гидрохимического и гидробиологического режимов в них в летнее время средняя глубина УМО должна быть не менее 2.0 - 2.5 м, а площадь мелководья с глубинами менее 2 м - не более 30% площади водохранилищ.

Таким образом, окончательно отметка УМО водохранилищ назначается с учетом требований всех водопользователей и водопотребителей.

Форсированный объем (V ф) создается за счет форсирования (повышения) уровня воды в водохранилище выше НПУ в период высоких паводков или половодья, чтобы предотвратить наводнения в нижнем бьефе. Поэтому его называют иногда противопаводковым. Отметка ФПУ зависит от максимальных расходов воды расчетной обеспеченности гидрографа половодья (паводка), размеров и типа сбросных сооружений.

Характеристики водохранилища. К основным характеристикам водохранилищ относят зависимость площади водной поверхности W и объема (V) воды в водохранилище от уровня Н или от глубины h в нем. Кривую

W = W (Н) или W = W (h) называют кривой площадей водной поверхности водохранилища;

кривую V=V(H) или V=V(h) кривой объемов.

Эти кривые называют батиграфическими кривыми.

Сначала стороится кривая площади водохранилища. Для этого используются крупномасштабные топографические карты. Площади водной поверхности водохранилоща W, соответствующие различным уровням воды Н, определяют путем планиметрирования площадей между отдельными горизонталями и створами плотины, замыкающими горизонталями у берегов. Далее используя зависимость W = W (Н) определяют объем водохранилища по формуле

где W i и W i+1 - площади водной поверхности, соответствующие уровням воды Н i и Н i+1 ,км 2 ; DH i, i+ 1 = H i+1 -H i приращение уровня, м.

Объем воды в водохранилище определяют путем последовательного суммирования частичных объемов DV i.

где W H,i , V H,i - площадь водной поверхности и объем воды в водохранилище при уровне Н i .

Критерии литорали (мелководья) определяют по формуле

Наряду с батиграфическими кривыми (рис.2),

Рис.2 Батиграфические кривые

также строят кривые зависимости H=H(v), W = W(v), h ср = h ср (v). Эти кривые называют объемными характеристиками водохранилища (рис.3).

рис. 3 Объемные характеристики водохранилища