Гидрология суши: водохранилища

Монография посвящена научно-техническим аспектам гидрологии водохранилищ, знание которых может быть весьма полезно для понимания сути тематических задач оценки природных ресурсов и окружающей среды, решаемых с использованием материалов дистанционного зондирования земли из космоса. Монография ориен... больше
314
Просмотров
Книги > Наука
Дата публикации: 2015-07-26
Страниц: 225

Пудовкин О.Л. Гидрология суши: водохранилища Asus PC Москва, 2015


Пудовкин О.Л. Гидрология суши: водохранилища Москва, 2015 1

УДК 556 (075.8) ББК 26.22я73 Пудовкин О.Л. Гидрология суши: водохранилища. – Открытая платформа электронных публикаций SPUBLER. Дата публикации: 2015-07-26. - 224 с. Монография посвящена научно-техническим аспектам гидрологии водохранилищ, знание которых может быть весьма полезно для понимания сути тематических задач оценки природных ресурсов и окружающей среды, решаемых с использованием материа- лов дистанционного зондирования земли из космоса. Монография ориентирована на разработчиков космических систем дистанционного зондирования земли (КС ДЗЗ), поскольку эффективность жизненного цикла данных си- стем во многом определяется глубиной научного понимания решаемых задач специали- стами, их создающими. Материал монографии поможет объективно определить возмож- ности космоса заказчикам, учесть особенности создаваемых КС ДЗЗ для решения задач гидрологии водохранилищ конструкторам и эффективно использовать возможности КС ДЗЗ эксплуатирующим организациям. Материал монографии может быть использован при подготовке специалистов кос- мической отрасли и, возможно, заинтересует профессионалов-лимнологов. Пудовкин Олег Леонидович. Научные интересы в областях: системный ана- лиз, теория систем и управления, техногенное и кос- могенное засорение космоса, международное косми- ческое право, геофизика, глобальные космические системы связи и навигации, управление проектами. Более 100 научных публикаций и 17 моногра- фий. Доктор технических наук, член-корреспондент Академии космонавтики и Академии военных наук. В космической отрасли с 1968 года: ВИКА им. А.Ф. Можайского, Командно-измерительный ком- плекс МО РФ, Научно-технический комитет РВСН, Военно-научный комитет Космический войск; вице- президент, главный конструктор, советник в органи- зациях космической отрасли; эксперт космического кластера Фонда «Сколково». Доктор технических наук Пудовкин О.Л. e-mail: PudovkinOL@yandex.ru 2


Оглавление стр. Введение 4 1. Общая характеристика водохранилищ 9 1.1. Классификация водохранилищ 14 1.2. Водохранилища мира и России 38 2. Речной сток в балансе водохранилища 58 2.1. Регулирование речного стока 59 2.2. Речной сток в балансе водохранилища 64 3. Плотины водохранилищ 70 3.1. Плотины из грунтовых материалов 73 3.2. Плотины бетонные и железобетонные 94 3.3. Классы безопасности плотин водохранилищ 113 4. Процессы в водохранилищах 120 4.1 Процессы техногенеза водохранилищ 124 4.2. Процессы техногенеза плотин водохранилищ 134 4.3. Динамика берегов водохранилищ 142 4.4. Наведённая сейсмичность водохранилищ 153 5. Правила использования водохранилищ 157 5.1. Типовые правила использования водохранилищ 159 5.2. Правила использования водохранилищ, включённых в перечень 165 5.3. Гидродинамические аварии и катастрофы 193 6. Водохранилища зоны вечной мерзлоты 204 7. Классификатор тематических задач дистанционного зондирования 213 земли Заключение 221 Литература 223 3

Введение Водохранилища суть водоёмы антропо- генного происхождения, образованные, как правило, в долинах рек водоподпорными сооружениями для накопления и хранения воды с целью её последующего использо- вания и регулирования стока рек. Основ- ной гидрометрической характеристикой водохранилищ, отличающей их от других антропогенных водоёмов – прудов, являет- ся минимальный объём, который на терри- тории России и ряда стран СНГ составляет не менее 1 млн. м2. Во многих странах Западной Европы к водохранилищам относят водоёмы с меньшей ёмкостью, но при условии, что их водообмен обеспечивается инженерными сооружения- ми. В США водохранилищами часто считают водоёмы, полезный объём которых состав- ляет более 5 тыс. акрофутов (6,16 млн. м3). Древнейшие плотины строились с целью образования ирригационных водохрани- лищ. Ирригация (орошение) – подвод воды на испытывающие недостаток влаги поля и увеличение её запасов в корнеобитаемом слое почвы в целях увеличения плодородия. В 1885 году немецкие археологи обнаружили в Египте (в 200 милях южнее Каира) плотину Садд-эль-Кафара, первое упоминание о которой имеется у древнегреческого ис- торика Геродота Галикарнасского [484 - 425 г. до н.э.]. Норман Смит, автор книги «Исто- рия плотин» считает, что Садд-эль-Кафара – древнейшая из известных плотин. Её строи- тельство одни историки относят к III или IV династии Древнего Египте (между 2725 и 2506 годами до н.э.), другие – к 3200 годам до н.э. Времена III или IV династий отлича- лись относительным спокойствием в стране и развитием под руководством фараонов ши- рокой строительной деятельности. Плотина Садд-эль-Кафара представляла собой две параллельных стены из каменной кладки, пазуха между которыми была заполнена каменной наброской. Длина плотины по гребню – 110 м, максимальная высота – 12 м, создаваемый объём водохранилища – свы- ше 2 млн. м3. В Месопотамии (историко-географический регион на Ближнем Востоке, располо- женный в долине двух великих рек Тигр и Евфрат) строительство плотин началось в брон- зовом веке, одновременно с Египтом, а возможно, и раньше. Первая крупная плотина из каменной кладки Нахр-эль-Аси, строительство которой датируется 1500 годом до н.э., бы- ла обнаружена на территории нынешней Сирии. В древнем Китае строительство каналов и плотин приобрело широчайший размах. Масштабы возведённых ирригационных сооружений поражают воображение даже при современном уровне развития строительной техники. Так, около 250 года до н.э. в Китае, в пустынной территории Сычуань водами реки Миньцзян (приток реки Янцзы) было оро- шено 50 тыс. км2 земель. Монголы, завоевав Китай, не только не разрушили, но и поддер- жали гидротехническое строительство. При хане Хубилае была осуществлена вековая мечта китайцев о соединении каналом бассейнов рек Хуанхэ и Янцзы. Канал между Пеки- ном и Ханьчжоу имел длину более 1000 км и был построен в 1289-1293 годах. На стройке работало более 20 тыс. рабочих. Очевидцем, описавшим завершающую часть строительства канала, был знаменитый итальянский купец и путешественник Марко Поло [15.09.1264 - 08.01.1324], представив- ший историю своего путешествия по Азии в знаменитой «Книге о разнообразии мира». 4

В доколумбовой Америке значительные гидротехнические сооружения строились ацтеками, майя и инками. Так, ацтеки построили дамбу длиной 16 км, которая разделила озеро Тескоко (бывшее бессточное озеро в Мексике, расположенное на высоте 2239 м) и образовала водохранилище Мехико. Испанские конкистадоры варварски разрушили большинство древних гидротехнических сооружений, но подобные сооружения, созда- вавшиеся испанцами, по сложности и размерам значительно уступали прежним. Многие древние цивилизации развивались в аридных областях, где орошение земель было жизненной необходимостью и являлось важным фактором образования и развития первых государств. Создание водохранилищ относилось обычно к крупнейшим строи- тельным мероприятиям того времени. Границы территории России до XVII века географически находились в умеренной климатической зоне, поэтому необходимость проведения масштабных гидротехнических работ в основном была обусловлена потребностями развития промышленности и транс- порта. Первые водохранилища были созданы в период 1701-1709 годов при строительстве Вышневолоцкой водной системы – водный путь в России, в районе города Вышнего Во- лочка, наиболее старая искусственная водная система в России, связавшая реку Тверцу (приток Волги) с Балтийским морем. В 1704 году на среднем Урале было построено Ала- паевское водохранилище для обеспечения водой и механической энергией завода, в 1721 году – водохранилище Сестрорецкий Разлив, созданное во времена Петра I путём запруды реки Сестры и реки Чёрной. В это же время проходило строительство обводного Ладож- ского канала – главной водной артерии строящегося Санкт-Петербурга. Много водохранилищ было построено в эпоху промышленной революции XVIII - XIX веков. Большую роль в этом сыграла возросшая потребность в механической энергии для прядильно-ткацких, металлообрабатывающих, лесопильных и горнорудных предприя- тий. Такие водохранилища в большом количестве появились в Западной Европе, Австро- Венгрии и России (Карелия, Центральный район, Урал). Следующий этап создания водо- хранилищ начался на рубеже XIX и XX веков в связи с развитием гидроэнергетики. Гидроэлектростанции (ГЭС) в качестве источника энергии используют энергию вод- ного потока и обычно возводятся на реках посредством сооружения плотин и водохрани- лищ. Для эффективного производства электроэнергии на ГЭС необходимо выполнение двух основных условий: гарантированная обеспеченность водой круглый год и возможно большие уклоны реки. Наибольшего размаха строительство ГЭС достигло в Швейцарии, Австрии, Франции, Германии, Италии, Швеции, Норвегии, США и Японии. При этом большое число водохранилищ создавалось для ирригации и борьбы с наводнениями, осо- бенно в США, Индии и некоторых европейских странах. До конца XIX века и в начале XX века строились преимущественно набольшие водохранилища. Несмотря на тысячелетнюю историю сооружения, водохранилища с полным осно- ванием можно назвать порождением XX века. Полный объём всех водохранилищ плане- ты, существовавших к концу XIX века, составлял всего около 15 км3. Теперь же только одно Братское водохранилище на реке Ангаре имеет объём 169 км3, что на порядок пре- вышает объём всех водохранилищ планеты, существовавших на рубеже двух веков. Современный этап создания водохранилищ начался после Великой Отечественной войны. Именно в этот период были созданы самые крупные водохранилища, пик возведе- ния которых в большинстве регионов мира пришёлся на 1960-е годы, а затем начался по- степенный спад. В настоящее время на земном шаре эксплуатируется более 60 тыс. водо- хранилищ с суммарными запасами воды около 6600 км3 и общей площадью зеркала около 400 тыс. км2 [26]. Многие реки мира – Волга, Днепр, Ангара, Колорадо, Парана и пр. – превращены в каскады водохранилищ. На территории России находятся в эксплуатации 2650 водохранилищ ёмкостью свыше 1 млн. м3. Их суммарный полезный объём составляет 342 км3, причем более 90% объёма приходится на водохранилища, имеющие ёмкость свыше 10 млн. м3. Общая про- тяженность береговой линии водохранилищ составляет 75,4 тыс. км. Комплексно исполь- 5

зуются около 230 водохранилищ, для нужд энергетики – 30, сельского хозяйства – около 1760, водоснабжения – 297, прочих нужд – 586 водохранилищ [11]. В первую десятку крупнейших по площади водного зеркала водохранилищ в мире входят Куйбышевское, Братское, Рыбинское, Волгоградское и Красноярское водохранилища. Водохранилища весьма разнообразны по генезису и могут быть классифицированы по типам: водохранилища в долинах рек и на временных водотоках в странах с аридным или муссонным климатом, а также в субнивальном климате горных стран; наливные водо- хранилища, создаваемые в естественных депрессиях, куда по каналам подаются избыточ- ные паводковые воды; озёра-водохранилища; подземные водохранилища, для создания которых используются подземные пустоты; водохранилища в морских заливах, бухтах, эстуариях, которые отгораживаются от моря плотинами и дамбами. В отдельных случаях возведение плотин у истоков рек может превратить озёра в во- дохранилища. Например, плотина гидростанции в местечке Оуэн-Фолс зарегулировала течение реки Виктория Нил, подняла уровень воды в чаше озера Виктория на 3 метра и превратила его в водохранилище. После строительства в 1956 году на реке Ангаре Иркут- ской ГЭС, положившей начало сооружению на великой сибирской реке целого каскада гидроэлектростанций, озеро Байкал превратилось из естественного водоёма-озера в регу- лируемое водохранилище. Это значит, что уровень воды в Байкале зависит не только от естественных природных факторов (осадки, приток и отток поверхностных и подземных вод, испарения и пр.), но и от режима эксплуатации каскада ГЭС на Ангаре. В настоящее время уровень воды в Байкале определяется постановлением Прави- тельства Российской Федерации от 26.03.2001 № 234 «О предельных значениях уровня воды озера Байкал при осуществлении хозяйственной и иной деятельности». В период с 1999 по 2012 годы уровень воды озера Байкал выдерживались в рамках 456,00 - 457,00 м, в Тихоокеанской системе отсчёта (ТСО). Одним из основных природных гидрологических свойств земной поверхности явля- ется наличие водоразделов, которые представляют собой условные топографические ли- нии на земной поверхности, разделяющие водосборы рек, озёр, морей и океанов относи- тельно направлений стока атмосферных осадков. Водоразделы делят территорию России на 29 водных бассейнов крупных рек, которые в свою очередь принадлежат к бассейнам Северного Ледовитого, Тихого и Атлантического океанов, а также к бассейнам внутрен- них морей и озёр. Водные бассейны крупнейших рек России отражают географические условия регионов и характеризуются определённым ресурсными водным потенциалом. Речной сток в водных бассейнах России образуют более 2,7 млн. рек и ручьёв, общей протяжённостью около 8 млн. км и объёмом около 4030 км3/год (10% от мирового речного стока) с большой территориальной и сезонной неравномерностью, чем обусловлена необ- ходимость перераспределения речного стока по времени и в пространстве. Для большинства рек России характе- рен режим весенне-летнего половодья, ежегодно повторяющегося в один и тот же сезон года, – относительно длитель- ное и значительное увеличение водности реки, вызывающее подъём её уровня; обычно сопровождается выходом вод из меженного русла и затоплением поймы. При этом следует отметить, что в поло- водье качество вод наиболее высокое: минерализация и загрязнения минималь- ны, содержание кислорода максимально. Для некоторых водных бассейнов характерны паводки – фаза водного режима реки, которая может многократно повторяться в различные сезоны года, характеризуется интен- 6

сивным и обычно кратковременным увеличением расходов и уровней воды, вызывается дождями или снеготаянием во время оттепелей. Периодически паводки не повторяются, и в этом их отличие от половодья. Так, в июле 2013 года над Приамурьем сформировалась стационарная высотная фронтальная зона, вдоль которой в течение двух месяцев один за другим перемещались глубокие, насыщенные тропической влагой циклоны, сопровож- давшиеся сильными ливневыми дождями. В результате в Амурской области и Еврейской автономной области с июля по август выпало осадков больше годовой нормы. В итоге од- новременно активизировались все паводочные области водного бассейна реки Амур: верхний Амур, Зея, Бурея, Уссури и Сунгари. Максимально снизить ущерб от паводка позволили Зейское, Бурейское и шесть водохранилищ на реке Сунгари в Китае. Особое значение имеет перераспределение воды по времени и в пространстве для за- сушливых регионов. К ним относятся, например, бассейны рек Дона, Кубани, Терека, Су- лака и Волги. Христоматийным примером возможности перераспределения вод является сооружение в 2005 году мощной земляной дамбы длиной 13 км, бетонной плотины и гид- ротехнического затвора для регулирования пропуска воды, а также каскада водохранилищ на реке Сыр-Дарья, положивших начало восстановлению Малого Арала. Решая задачу защиты от наводнений и обеспечения устойчивого развития регионов России, подпор водотоков и образование водохранилищ, создаются условия для развития гидроэнергетики. По данным ОАО «СО ЕЭС» – системного оператора единой электро- энергетической системы России – суммарная установленная электрическая мощность гид- роэлектростанций ЕЭС России на 1 июля 2014 года составляла 46674,9 МВт. По данным «Русгидро» – российской энергетической компании, владеющей большинством гидро- электростанций страны – на конец 2013 года на территории России функционировали 102 гидростанции мощностью свыше 100 МВт, а общая установленная мощность гидроагрега- тов на ГЭС в стране составила 45 ГВт. Россия – речная страна, и её обширная речная сеть традиционно и надёжно служи- ла основой системы путей сообщения (ле- том по воде, зимой по льду), а в ряде случа- ев являлась единственной транспортной ма- гистралью страны. Например, для обеспече- ния транспортных перевозок в труднодо- ступные северные и восточные регионы России и доставки по назначению крупно- габаритных промышленных конструкций. По некоторым данным на 2012 год внутренние водные судоходные пути находятся среди других видов транспортных коммуникаций по показателям протяжённости и плот- ности на одном из последних мест [33]. При этом водный транспорт охватывает более по- ловины территории России, которая не доступна железным и автомобильным дорогам, с плотность населения менее 2 человек на 1 км2. По словам «автомобильного короля» Генри Форда, к началу ХХ века железные дороги «задушили все прочие способы транспорта» – в частности, «блистательную сеть каналов, которая должна была распространиться на всю страну» (имеется в виду США). Подсчитано, что коммуникативный потенциал водных бассейнов крупных рек Рос- сии, при условии реконструкции рек в каскады водохранилищ комплексного назначения, может включить практически все реки длиной более 100 км, с суммарной протяженно- стью до 1 млн. км, что обеспечит среднюю плотность судоходных коммуникаций в стране до 60 км на 1000 км2. Подобные транспортные системы эффективно функционируют в Ев- ропе – Единая сеть европейских внутренних водных путей, а также в Китае. В России дей- ствующей частью такой комплексной системы является Волжско-Камский каскад, с его межбассейновыми соединениями (Волго-Дон, Волго-Балт, Канал им. Москвы). 7

Масштабное усовершенствование системы внутренних водных коммуникаций в Рос- сии было начато в 1909 году, и в начале 1914 года известный русский гидротехник и гидро- лог Владимир Михайлович Лохтин [1849 - 1919 годы] имел все основания утверждать, что «соединение судоходных рек в одну объединённую сеть при нынешнем сочувствии к вод- ным путям законодательных учреждений, вероятно, не заставит долго себя ждать». Первая мировая война и революция остановили создание в России объединенной сети водных пу- тей. Позднее, в 1930-х годах, гидротехническое строительство на реках СССР вновь чрез- вычайно активизировалось, но Великая Отечественная война помешала осуществлению многих грандиозных планов. Затем гидротехническое строительство на реках СССР было возобновлено, достигнув к середине 1950-х годах небывалого размаха, и задача создания в стране единой воднотранспортной сети оставалась безусловно актуальной. Но с начала 1960-х годов руководящие органы СССР переориентировали экономику и стали свертывать гидротехническое строительство. И теперь Россия – белое пятно в системе внутренних вод- ных путей Евразии, охватывающее практически весь север континента. Практика показывает, что эффективное использование ресурсов водных бассейнов для социально-экономического развития России связано с комплексным регулированием инже- нерными средствами стоков рек посредством водохранилищ и созданием межбассейновых гидротехнических систем. До настоящего времени основной целью гидротехнических проектов в России была гидроэнергетика – стремление повысить экономическую эффективность производства элек- троэнергии, реализовалась «концентрации напора» [33]. В результате построены и эксплуа- тируются 104 водохранилища ёмкостью выше 100 млн. м3, а их объём составляет 99,86% от суммарного объёма водохранилищ страны. Поэтому сколь бы значительным ни было их ре- гулирующее воздействие, но оно распространяется лишь на реки, на которых они устроены, а в целом речные системы России остаются не зарегулированными. Степень развития в стране водного хозяй- ства характеризуется показателями: количе- ством плотин, его соотношение с площадью территории и объёмом годового стока рек страны. По состоянию на начало тысячелетия водное хозяйство России, в сравнении с дру- гими странами, ничтожно мало. В последние десятилетия в России практически не созда- лись новые плотины и водохранилища. В России имеется всего 62 большие плотины, согласно мировой классификации под которыми обычно понимают плотины высотой более 15 м. Они регистрируются Междуна- родным конгрессом по большим плотинам (CIGB). Водохранилища бассейнов рек России представляют собой пространственные объек- ты больших планарных размеров. Например, Куйбышевское водохранилище имеет площадь зеркала 6,15 тыс. км2, Братское – 5,5 тыс. км2, Рыбинское – 4,5 тыс. км2, Волгоградское – 3,1 тыс. км2 и Красноярское – 2,0 тыс. км2, что требует для их эффективного развития и эксплу- атации использования современных средств мониторинга, к которым относятся космиче- ские системы дистанционного зондирования Земли. Монография посвящена изучению научно-технических аспектов гидрологии водохра- нилищ, знание которых может быть весьма полезно для разработчиков космических систем и понимания сути тематических задач оценки природных ресурсов и окружающей среды, решаемых с использованием материалов дистанционного зондирования земли из космоса. Материал монографии может быть использован при подготовке специалистов космической отрасли и возможно заинтересует профессионалов-лимнологов. Автор весьма признателен С.В. Сорокину за предоставленные материалы для напи- сания и советы при формировании структуры монографии. 8

1. Общая характеристика водохранилищ Водоёмы представляют собой водные объ- екты естественного и антропогенного проис- хождения в углублениях суши, характеризу- ющиеся замедлением движения воды или полным его отсутствием. К ним относятся озёра, водохранилища, пруды и обводнённые карьеры. Если озёра – естественные водоёмы, то водохранилища – искусственные водоёмы, образованные водоподпорными сооружения- ми на водотоке с целью хранения воды и ре- гулирования стока. В отличие от приведённого нормативного определения понятия водохранилища, в научной и учебной литературе используются более расширенные толкования термина, с введением гидрометрической характеристики. Так, например, в работе [32], со ссылкой на рекомендации Института водных проблем РАН, под водохранилищами понимаются ис- кусственные и естественные водоёмы с замедленным водообменом объёмом более 1 млн. м3, уровенный режим которых постоянно регулируется гидротехническими сооружениями для накопления воды в целях её хозяйственного использования. К искусственным водохранилищам относятся также пруды, которые по нормативным требованиям мелководные и имеют площадь не более 1 км2 [9]. Гидромет- рическая граница между водохранилищами и прудами может выражаться и в объёмных единицах. На территории России и ряда стран СНГ она составляет 1 млн. м3. Во многих странах Западной Европы к водохранилищам относят водоёмы с меньшей ёмкостью, но при условии, что их водообмен обеспечивается инженерными сооружениями. В США во- дохранилищами часто считают водоёмы, полезный объём которых составляет более 5 тыс. акрофутов, или 6,17 млн. м3 [1]. Американская мера жидкости 1 акрофут равна 1233,48 м3. Водохранилища по динамике водных масс и морфогенетике наиболее близки к естественным водным объектам суши – озёрам. Для них также характерно наличие котло- вины, представляющей собой отрицательную форму рельефа, в пределах которой и распо- ложено водохранилище, а также чаши водохранилища – часть котловины, заполненная водой до высоты максимального подъёма уровня. В отличие от озёрных котловин выбор природного рельефа и проведение его гидротехнического дооборудования (возведение плотин, дамб, каналов, шлюзов и пр.) для создания водохранилища, осуществляются с це- лью решения конкретных задач водного хозяйства по обеспечению населения, промыш- ленности и сельского хозяйства водой, поддержания оптимальных условий для функцио- нирования водосборных бассейнов, гидроэнергетики и пр. Водохранилища являются управляемыми объектами. Это означает, что их основные параметры (объём, площадь, место расположения и режим регулирования), а вместе с ни- ми и многие другие характеристики, определяются человеком на стадии проектирования; в составе гидроузлов имеются специальные технические системы, сооружения и устрой- ства (гидротурбины, водосборные отверстия с затворами), позволяющие изменять объём и уровень воды в водохранилище. Если главная цель создания водохранилища – регулиро- вание стока в интересах решения задач энергетики, ирригации, водного транспорта, водо- снабжения и борьбы со стихийными бедствиями прогнозируется и закладывается в про- ектные решения, то при эксплуатации водохранилищ всегда существует неопределён- ность, обусловленная стохастическим характером направлений и интенсивности гидроме- теорологических процессов в водосборном бассейне. Для этого в водохранилищах акку- мулируется сток в одни периоды года и отдаётся накопленная вода в другие периоды. 9

Период аккумуляции стока называется наполнением водохранилища, а процесс от- дачи накопленной воды – сработкой водохранилища. Как наполнение водохранилища, так и его сработка производятся всегда до более или менее определённого уровня. Высший проектный уровень водохранилища (верхнего бьефа плотины), который подпорные сооружения могут поддерживать в нормальных эксплуатационных условиях в течение длительного времени, называется нормальным подпорным уровнем (НПУ). На него рассчитывают как сооружения инженерной защиты, так и все промышленные, ком- мунальные и другие сооружения, располагающиеся на берегах водохранилища. Минимальный допустимый уровень водохранилища, до которого возможна его сра- ботка в условиях нормальной эксплуатации, называется уровнем мёртвого объёма (УМО). Объём воды, заключённый между НПУ и УМО, называется полезным, так как имен- но этим объёмом воды и можно распоряжаться в различных хозяйственных и других це- лях. Объём же воды, находящийся ниже УМО, называется мёртвым, так как использова- ние его в условиях эксплуатации не предусматривается. В зависимости от целевого назначения водохранилищ могут быть также установле- ны: уровень принудительной предполоводной сработки на конкретную календарную дату (УПС); максимальный допустимый уровень наполнения водохранилища при пропуске па- водков при неполном использовании всей пропускной способности гидроузла или уровень противопаводковой призмы водохранилища (УПП); минимальный навигационный уро- вень воды в водохранилище (МНУ). МНУ применяется для водохранилищ, которые используются для целей водного транспорта или лесосплава. Сработка в период навигации ограничивается уровнем, при котором речной флот по состоянию глубин может продолжать нормальную работу. Этот уровень, находящийся между НПУ и УМО, также называется уровнем навигационной сработки (УНС). Бьеф – часть реки, канала, водохранилища или другого водного объекта, примыка- ющая к гидротехническому сооружению. Существует верхний бьеф, располагаемый выше по течению, и нижний, располагаемый по другую сторону гидротехнического сооруже- ния. Верхним бьефом часто является водохранилищем. Бьеф, образованный двумя или не- сколькими водоподпорными сооружениями и расположенный на водораздельном участке водной системы или водотока, называется раздельным. Рисунок 1 – Основные элементы водохранилища Пропускная способность гидроузла (его турбин, водосливных пролётов, донных от- верстий, шлюзов) проектируется с учётом режима водосбора. Однако гидрометеорологи- ческие особенности региона (например, муссонный климат) могут приводить к значитель- ным поступлениям воды в водохранилище и вызывать подъём уровня выше НПУ. В этих 10

случаях уровни воды на всём водохранилище и у плотины повышаются, увеличивая его объём иногда на значительную величину; одновременно увеличивается пропускная спо- собность гидроузла. Такой подъём уровня выше НПУ в период половодий редкой повто- ряемости называется форсированием уровня водохранилища, а сам уровень – форсиро- ванным подпорным уровнем (ФПУ), или максимально допустимым. Следует отметить, что уровни воды у плотин, в средней и верхней зонах водохрани- лища не одинаковы. Если у плотины уровень соответствует, например, отметке НПУ, то по мере удаления от неё он повышается: в начале на сантиметры, а затем и на десятки сан- тиметров, а в отдельных случаях на один-два метра. Это явление носит название кривой подпора. Если в древние времена гидротехнические объекты создавались в основном для ре- шения задач ирригации (например, обнаруженные археологами плотины Садд-эль-Кафара в Древнем Египте и Нахр-эль-Аси в Месопотамии), то современные водохранилища по- средством гидравлических и водохозяйственных связей неизбежно оказываются включён- ными в сложную систему природно-хозяйственных отношений рек, речных бассейнов и межбассейновых связей (например, переброска вод рек в засушливые регионы, водный транспорт, энергетика, борьба со стихийными бедствиями и пр.) Водохранилища обеспечивают гарантированное водоснабжения промышленных предприятий, городов и прочих населённых пунктов. По качеству воды и охранному ре- жиму они подразделяются на четыре группы: питьевого назначения; созданные в основ- ном для водоснабжения, но используемые одновременно и другими отраслями хозяйства; комплексные и одноцелевые, использование которых для водоснабжения не представля- ется возможным. Комплексно используется в России около 8% водохранилищ ёмкостью выше 1 млн. м3, а остальные связаны с целевым назначением: сельское хозяйство – 66%, водоснабжение – 11%, энергетика – 1%. Остальные водохранилища России относятся к категории прочего использования [11]. Современная энергетика немыслима без водохранилищ. В них нуждаются как гид- равлические (ГЭС) и гидроаккумулирующие станции (ГАЭС), так и тепловые, и атомные. ГЭС обязательное звено в единой региональной энергетической системе; они способны покрывать пиковые нагрузки. Без водохранилищ невозможно суточное, недельное и се- зонное регулирование стока в интересах энергетики и других отраслей хозяйства. Себе- стоимость выработки электроэнергии на ГЭС в 5-7 раз меньше, чем на тепловых станциях. В то же время крупным водохранилищам ГЭС свойственны отрицательные экологические эф- фекты: затопление земель, переработка берегов, подтопление населенных пунктов, заболачива- ние, засоление, аридизация ландшафтов поймы реки в нижнем бьефе, изменения в метеорологи- ческом режиме прилегающей территории, тума- ны зимой в нижнем бьефе, региональная активи- зация движений земной коры, вызывающая не- большие землетрясения. Воздействие водохрани- лищ тепловых и атомных электростанций связа- но с поступлением с водой добавочного тепла. Водохранилищ имеют большое значение для борьбы с наводнениями. Особенно эф- фективна их роль в регионах с муссонным климатом. Так, например, в июле 2013 года над Приамурьем сформировалась стационарная высотная фронтальная зона, вдоль которой в течение двух месяцев перемещались глубокие, насыщенные тропической влагой циклоны, сопровождавшиеся сильными ливневыми дождями. В результате в Амурской области и Еврейской автономной области с июля по август выпало осадков больше годовой нормы. В итоге одновременно активизировались все паводочные области водного бассейна реки 11

Амур: верхний Амур, Зея, Бурея, Уссури и Сунгари. Максимально снизить ущерб от па- водка позволили Зейское, Бурейское и шесть водохранилищ на реке Сунгари в Китае. Со- здание небольших регулирующих водохранилищ (например, на Северном Кавказе) даёт возможность в нижних бьефах гидроузлов ликвидировать паводки и катастрофические наводнения. Однако срезка весеннего половодья может имеет отрицательные последствия для сельского хозяйства – не обеспечивается оптимальная весенняя влагозарядка почвы, что ведёт к остепнению пойм. Водохранилищ имеют большое значение для ирригации (орошения) – подвод воды на поля, испытывающие недостаток влаги, и увеличение её запасов в корнеобитаемом слое почвы в целях увеличения плодородия. Предпосылкой развития орошаемого земле- делия выступает наличие гарантированного запаса воды. Создание таких водохранилищ как Саратовское, Волгоградское и Краснодарское (Россия), Каховское (Украина), Кайрак- кумское и Чардаринское (Узбекистан) и др. позволило оросить миллионы гектаров сель- скохозяйственных земель. Главное негативное экологическое последствие – засоление зе- мель. Примером катастрофического последствия ирригации и положительного решения водных проблем региона Средней Азии является возведение плотин и создание водохра- нилищ в бассейне Аральского моря. В 1930-е годы началось масштабное строительство оросительных каналов в Средней Азии, которое особенно интенсифицировалось в 1960-х годах. С этого времени Арал стал мелеть из-за того, что вода рек, впадавших в него, во всё возрастающих объёмах отводи- лась на орошение. С 1960 по 1990 годы площадь орошаемых земель в Средней Азии уве- личилась с 4,5 до 7 млн. га. Потребности региона в воде возросли с 60 до 120 км³ в год, из которых 90 % приходится на орошение, при этом вода, отводимая для орошения, нередко использовалась неэффективно. Начиная с 1961 года, уровень Арал понижался с возраста- ющей скоростью от 20 до 80-90 см/год. В 1987 году Аральское море распалось на два изо- лированных водоёма – Северное (Малое) и Южное (Большое) Аральское море. Спасение Малого Арала осуществляется в рамках уникального крупномасштабного про- екта «Регулирование русла реки Сырдарьи и сохранение северной части Аральского моря», который предусматривает строительство и ре- конструкцию ряда регулирующих гидротехни- ческих сооружений и узлов, в том числе на ре- ке Сырдарья. В результате уровень воды в Ма- лом Арале возрос на 42 метра, уменьшились общая минерализация воды моря, повторяе- мость пыльных бурь и соляных выносов из Аралкума на прилегающие районы. Водохранилища имеют большое значение для решения задач рекреации населения. Рекреация [от лат. recreatio - восстановление] – комплекс оздоровительных мероприятий, осуществляемых с целью восстановления нормального самочувствия и работоспособно- сти здорового, но утомлённого человека. По имеющимся данным, на берегах водохрани- лищ проживало более 27 млн. человек городского населения и более 50 млн. человек – в пределах двухчасовой езды до водохранилищ, использующих водоемы для отдыха. Водо- хранилища повышают рекреационную ёмкость и ценность ландшафта. Рекреационный потенциал водохранилищ в России используете недостаточно. Основные причины такого положения: неудовлетворительная очистка чаш водоёмов перед затоплением; цветение воды; интенсивная переработка берегов, затрудняющая размещение в прибрежной полосе учреждений отдыха и подступы к воде; слабое развитие дорожно-транспортной сети. Водохранилища используются в интересах рыбного хозяйства. Наиболее эффектив- ными являются малые водохранилища рыбохозяйственного назначения, созданные в зоне 12

влияния крупных городов. Использование крупных водохранилищ для рыбного хозяйства пока малоэффективно, а создание подпорных сооружений на крупных равнинных реках, в частности на Волге, принесло ущерб проходным и полупроходным рыбам, чему способ- ствовало также увеличение сброса неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод, развитие водного транспорта (фактор беспокойства и загрязнения), лесосплав и т.д. Значение водохранилищ для водного транспорта. С созданием водохранилищ в не- сколько раз увеличивается длина и ширина судового хода, радиусы закругления, что даёт возможность повысить на 10-15% скорость движения судов. Среди недостатков, прису- щих водному транспорту на водохранилищах в сравнении с речным, отметим затраты времени на шлюзование и большую длительность ледостава весной. Недостатком созда- ния ряда крупных водохранилищ в Сибири (например, Братского, Усть-Илимского и др.) является отсутствие шлюзов. Россия – речная страна, и её обширная речная сеть традиционно и надёжно служи- ла основой системы путей сообщения (ле- том по воде, зимой по льду), а в ряде случа- ев является единственной транспортной магистралью страны. Например, для обес- печения транспортных перевозок в трудно- доступные северные и восточные регионы России и доставки по назначению крупно- габаритных промышленных конструкций. По некоторым данным на 2012 год внутренние водные судоходные пути находятся среди других видов транспортных коммуникаций по показателям протяжённости и плот- ности на одном из последних мест. При этом водный транспорт охватывает более полови- ны территории России, которая не доступна железным и автомобильным дорогам, с плот- ность населения менее 2 человек на 1 км2. Подсчитано, что коммуникативный потенциал водных бассейнов крупных рек Рос- сии, при условии реконструкции рек в каскады водохранилищ комплексного назначения, может включить практически все реки длиной более 100 км, с суммарной протяженно- стью до 1 млн. км, что обеспечит среднюю плотность судоходных коммуникаций в стране до 60 км на 1000 км2 [33]. Подобные транспортные системы эф- фективно функционируют в рамках Единой сети европейских внутренних водных путей и в Китае. В России первые водные транс- портные системы появились в XVIII веке при строительстве Вышневолоцкой водной системы и Ладожского канала. В настоящее время действующей частью такой транс- портной системы является Волжско- Камский каскад, с его межбассейновыми соединениями (Волго-Дон, Волго-Балт, Ка- нал им. Москвы). Водохранилища – многопризнаковые объекты, в связи с чем существуют различные признаки их классификации: тип регулирования гидрологического режима, назначение, принадлежность к природной зоне, по размеры (площадь водного зеркала, глубина), гене- зис и морфология чаши. Нормативным документом, определяющим классификацию водо- хранилищ, являются «Методические указания по разработке правил использования водо- хранилищ», утверждённые приказом Минприроды России от 26 января 2011 г. № 17. 13

1.1. Классификация водохранилищ Сейчас в мире эксплуатируется более 60 тыс. водохранилищ. Их полный объем превышает 6,6 тыс. км3, площадь водного зеркала – более 400 тыс. км2, а с учетом подпруженных озёр – 600 тыс. км2. Для сравнения это площадь Чёр- ного моря или Франции. Ежегодно в строй вступают от 300 до 500 новых водохранилищ. Многие крупные реки планеты – Волга, Ангара, Миссури, Kолорадо, Парана, Теннеси, Сунгари и др. – превращены в каскады водохранилищ. По прогнозам ученых через 30-50 лет водохранилищами будет зарегулировано 2/3 речных систем Земли. В водохранилища превращены некоторые озёра (например, Байкал, Онежское, Виктория, Виннипег, Онтарио) путем повышения уровня с помощью плотин, построенных вблизи истоков вытекающих из них рек. Водохранилища имеются на всех континентах (кроме Антарктиды) и во всех географических зонах (кроме арктической зо- ны). Однако из-за многообразия природных и социально-экономических условий они раз- мещены по территории суши земного шара и в пределах большинства государств очень неравномерно. Водохранилища существенно преобразовали ландшафт многих речных бассейнов. Их создание изменило не только облик самих рек, но и природу прилегающих территорий в общей сложности на площади 1,5 млн. км2, что равно суммарной площади таких евро- пейских государств, как Франция, Испания, Великобритания и Германия. Хотя водохра- нилища созданы человеком, развиваются они по законам природы, воздействуют на неё, неразрывно с нею связаны и являются ныне её неотъемлемой частью. Водохранилищ су- щественно различаются между собой по параметрам, режимным характеристикам, направлению хозяйственного использования и воздействию на окружающую среду. Труд- но назвать более яркий пример человеческой деятельности, где так полно и сложно пере- плетается (иногда самым причудливым образом) весь спектр актуальных для современно- го человечества проблем – энергетических и продовольственных, экологических и соци- альных, экономических и технических, инженерных и природоохранных. Для решения многих проблем не только научных, но и практических, вопросов про- ектирования, создания и использования водохранилищ большое значение приобретает упорядочение и систематизация колоссального объема разнообразных сведений и данных о водохранилищах. Разработка фундаментальной и универсальной (многомерной) класси- фикации и типизации водохранилищ требует одновременного учета природных, техниче- ских, экологических и социальных аспектов и их специфики для регионов с разными при- родно-хозяйственными и социальными условиями. К настоящему времени предложено достаточно много вариантов классификаций водохранилищ по различным признакам: от тех классификаций, которые прямо или косвенно отражают особенности гидрологическо- го режима водохранилищ, до классификаций по гидрохимическому и гидробиологическо- му режимам, гидроэнергетическим показателям, характеру использования и др. Рассмот- рим некоторые из них. Наиболее общей является классификация водохранилищ на основе закона географи- ческой зональности, который рассматривает закономерности распределения растительно- сти (ландшафтов) по широте в зависимости от поступающей солнечной радиации. Ландшафт [от нем. Die Landschaft - вид местности] дословно может быть переведён как «образ края» – конкретная территория, однородная по своему происхождению, исто- рии развития и неделимая по зональным и азональным признакам. 14

А. Классификация по ландшафтным условиям. В соответствии с законом гео- графической зональности вводится понятие широтной зональности, физической основой которой является неравномерное распределение солнечной энергии по причине эллиптич- ности орбиты движения Земли вокруг Солнца и наклона оси её вращения к плоскости эк- липтики – смена времён года; шарообразной формы и суточного вращения Земли – перио- дичность смены времени суток. Крайними проявлениями физических особенностей в си- стеме «Земля - Солнце» является наличие полярных ночей в арктических и антарктиче- ских областях, следствием – минимально возможная доля поступающей солнечной радиа- ции, суровый климат и вечная мерзлота. В соответствие с законом географической зональности на поверхности суши Земли введена система физико-географических зон – части географического пояса с однородны- ми климатическими условиями. Название зон берут от присущей им растительности и других географических особенностей. Зоны закономерно сменяются от экватора к полю- сам и от океанов вглубь континентов; имеют близкие условия по температуре и увлажне- нию, которые определяют однородные почвы, растительность, животный мир и другие компоненты природной среды. Принятое современной наукой деление суши Земли на фи- зико-географические зоны представлено на рисунке. Рисунок 2 – Современное представление о физико-географическом районировании суши Земли В различных научных системах физико-географические зоны суши Земли могут иметь различные обозначения, которые связаны с исторически сложившимся и принятым научной общественностью понятийным аппаратом. Например, классификация по типу растительности связана с введением понятия наземного биома – крупное системно- географическое (экосистемное) подразделение в пределах природно-климатической зоны. В гидрологии суши используется понятие ландшафта – генетически однородный террито- риальный комплекс, сложившийся только в ему свойственных условиях и включающий единую материнскую основу, геологический фундамент, рельеф, гидрографические осо- бенности, почвенный покров, климатические условия и единый биоценоз. Классификация водохранилищ России по ландшафтным условиям включает тундро- вые, лесотундровые, лесные, лесостепные, степные и полупустынные типы водохрани- лищ, которые отражают наиболее существенные свойства данных водных объектов и осо- бенности их эксплуатации [18,29]. 15

Закономерности дифференциации растительного покрова территории континентов под действием распределения суши и моря, рельефа земной поверхности и состава горных пород определяются законом секторности, который дополняет закон географической зо- нальности и определяет высотно-поясные зоны. С высотой климат изменяется: на 1 км подъёма температура воздуха снижается в среднем на 60C, уменьшается давление воздуха, его запылённость, возрастает интенсивность солнечной радиации, до высоты 2-3 км уве- личивается облачность и количество осадков. По мере нарастания высоты происходит смена ландшафтных поясов, в какой-то сте- пени аналогичная широтной зональности. Величина солнечной радиации увеличивается вместе с радиационным балансом поверхности. Температура воздуха снижается по мере роста высоты. Происходит уменьшение количества осадков. Между широтными поясами и высотными зонами есть частичное сходство в климатических особенностях, размещении растительности и почв, но многим поясам невозможно найти полные широтные аналоги. Например, по режиму солнечной радиации – тундра севера и вершины гор. Если рассматривать задачи относительно горных систем, то формирование типов высотной поясности определяют следующие факторы: географическое положение, абсо- лютная высота, рельеф, климат, экспозиция склонов. Полный спектр высотной поясности можно наблюдать в крупных горных массивах экваториальных и тропических широт (например, Анды, Гималаи). Б. Классификация по вертикальной зональности с учётом климатических зон. Данная классификация водохранилищ основана на геоморфологических особенностях ре- льефа региона и климатической зональности. Рельеф [фр. relief, от лат. relevo - поднимаю] – совокупность неровностей твёрдой земной поверхности и иных твёрдых тел, разнообразных по очертаниям, размерам, проис- хождению, возрасту и истории развития. Рельеф суши изучается в рамках геоморфологии [от др.-греч. γῆ - Земля + μορφή - форма + λόγος - учение] – наука о рельефе, его внешнем облике, происхождении, истории развития, современной динамике и закономерностях географического распространения. Наиболее общими типами рельефа суши являются го- ры и равнины. Горы – это сильно расчленённые части суши, значительно, на 500 метров и более, приподнятые над прилегающими равнинами. От равнин горы отделены либо напрямую подножием склона, либо предгорьями. Предгорье – область у подножия гор; термин ис- пользуется для описания областей, прилегающих к горам, иногда он становится именем собственным. Например, Пьемонт [от ит. рietmonte - предгорье] – административный ре- гион на севере Италии. Горы могут быть линейно вытянутыми или дугообразными с параллельным, решёт- чатым, радиальным, перистым, кулисным или ветвистым рисунком расчленения. В зави- симости от высоты горы делят на низкие – до 1000 м, средние – от 1000 до 2000 м и высо- кие – выше 2000 м. В целом 24% поверхности суши приходится на горы. 10% всех людей живет на территории гор. В горах берёт своё начало большинство рек Земли. Горные водохранилища характеризуются сравнительно небольшой площадью зеркала и затопления земель, большими глубинами (не- редко более 100-200 метров), менее резкими, по сравнению с равнинными водохранилища- ми, изменениями площади зеркала при сра- ботке, отсутствием значительной ветровой переработки и подтопления берегов, сложен- ных водоупорными скальными породами, ин- тенсивным заполнением наносами вследствие значительного стока последних. 16

В отличие от гор равнины представляют собой обширные участки суши, имеющие разную высоту относительно уровня Мирового океана. По характеру рельефа равнины могут быть плоскими (Западно-Сибирская равнина, Береговые равнины США и пр.) и холмистыми (Восточно-Европейская равнина, Казахский мелкосопочник и пр.). В зависи- мости от высоты равнины делятся на низменности – имеют абсолютную высоту не более 200 м, возвышенности – находятся на высоте не выше 500 м и плоскогорья – выше 500 м. Равнинные водохранилища характеризуют- ся значительной площадью водного зеркала и затопления земель на единицу объёма, не- большой максимальной (обычно не более 25 метров) и средней (5-10 метров) глубинами, относительно небольшой глубиной сработки, большими изменениями площади зеркала при колебаниях уровня, высокой интенсивностью переработки берегов и, как правило, ком- плексным использованием. Большинство рав- нинных водохранилищ расположено на терри- тории развития многоотраслевого хозяйства. Например, Краснодарское водохранилище является крупнейшим равнинным водоё- мом Северного Кавказа с характеристиками: площадь зеркала – 420 км2, объёмом – 2,0-3,1 км3 (регулируется, уровень воды колеблется на 8 м). В свою очередь равнинные и горные водохранилища могут классифицироваться в соответствии с высотной геоморфологией рельефа: водохранилища низменностей, возвы- шенностей и плоскогорий; водохранилища предгорий, низких, средних и высоких гор. Их зональные свойства часто дополняются климатическими особенностями, определяемыми согласно генетическую классификацию климатов земного шара по Б.П. Алимову [29]. В нормативном документе «Методические указания по разработке правил использо- вания водохранилищ» [19] вводится зональная классификация водохранилищ для терри- тории России; зональная классификация водохранилищ для всей поверхности земного шара представлена в таблице [1]. Таблица 1 – Классификация водохранилищ по основе вертикальной зональности с учётом климатических зон Климатические зоны Типы Умеренная водохранилища Субтропическая Субэкваториальная Субарктическая Северная Южная и тропическая и экваториальная часть часть Равнинные 0-200 0-500 0-700 0-1000 0-1200 Предгорные 200-500 500-1000 700-1200 1000-1500 1200-2000 Горные Выше 500 1000-1500 1200-2000 1500-2500 2000-3000 Высокогорные - Выше 1500 Выше 2000 Выше 2500 Выше 3000 Высота над уровнем моря, м В. Классификация по генезису котловин. Генезис [от греч. γένεσις - рождение, происхождение] – понятие, выражающее как момент зарождения и возникновения, так и процесс развития какого-либо качества определённого предмета (объекта) и явления. Ка- чество генезиса водохранилищ определяет морфология поверхности, т.е. использование рельефа и гидрологии суши для их создания и эксплуатации. 17

По признаку генезиса котловин выделяют наиболее характерные типы водохрани- лищ: русловые долинные; в естественных понижениях, искусственных котловинах и руслах (наливные); на временных естественных и искусственных водотоках, периодиче- ски действующих оврагах и т.д.; смешанные – наливные и долинные; приморские (ла- гунные) и дельтовые; зарегулированные озёра-водохранилища; подземные. Русловые долинные водохранилища, созданные подпором рек плотинами, дамбами и гидроузлами, являются наиболее распространёнными водохранилищами в мире. Их площадь колеблется от долей до нескольких тысяч квадратных километров. Среди водохранилищ в речных долинах са- мым большим по площади является водохрани- лище Вольта, площадь около 8500 км2. В 1961-1965 годах у города Акосомбо (Гана) в узком ущелье была построена ГЭС Акосомба. В результате, после заполнения водохранилище занимает 3,6% площади Ганы. Из водохрани- лища вытекает река Вольта, впадающая в Гви- нейский залив. ГЭС Акосомба обеспечивает большую часть страны электроэнергией. При заполнении котловины водой было выселено около 78 тыс. человек и около 200 тыс. принадлежащих им животных. На берегах проживает более 5,5 млн. человек. Длина водохранилища Вольта с севера на юг около 400 км, береговой линии – более 7 тыс. км, побережье изрезано, на озере находится множество небольших островов. Объём водохра- нилища составляет около 148 км3, средняя глубина – 18 м, максимальная глубина – 80 м. Высота над уровнем моря водной глади – 85 м, площадь водосбора – 385 тыс. км². В 1964, 1966 и 1969 годах в окрестностях Вольты фиксировались землетрясения, что связывалось с заполнением водой водохранилища. В России самым крупным рус- ловым долинным водохранили- щем является Куйбышевское во- дохранилище, занимающее третье место в мире по площади после водохранилищ Вольта (8482 км2, Гана) и Смолвуд (6527 км2, Кана- да). Возникло в 1955-1957 годах после завершения строительства Жигулёвской ГЭС, перегородив- шей долину Волги в Жигулях у города Ставрополь (ныне Тольят- ти). Его нижнюю часть называют Жигулёвским морем. Подпор уровня воды у плотины составляет 29 м, распространяется по Волге до города Новочебоксар- ска, по реке Каме – до города Набережные Челны. Крупные за- ливы водохранилище образует по долинам Камы, Свияги, Казанки и другим рекам. Основное назначение водохранилища – выработка электроэнергии, улучшение судо- ходства, водоснабжение, ирригация, рекреации и рыболовство. 18

Водохранилище сильно изменило режим стока Волги как выше, так и ниже плотины: сток в половодье существенно уменьшился, а в межень – возрос. Колебания уровней воды сейчас у города Казани составляют 5-6 м, в то время как до создания водохранилища он достигали 10-11 м. После создания водохранилище стало на 3-5 дней раньше замерзать и позже освобождаться ото льда. Существенно изменился микроклимат в зоне 3-6 км около водохранилища, перестроились процессы на дне и в береговой полосе, начались абразия и размыв берегов, активизировались оползни. Очень изменились условия произрастания прибрежной и водной растительности, обитания птиц и рыб. Зарегулированные озёра-водохранилища. Значительное число водохранилищ созда- но путём подпора и искусственного регулирования водообмена естественных озёр. Обыч- но такое регулирование достигается устройством плотины на реке, вытекающей из про- точного озера. В отдельных случаях озёра-водохранилища создаются путём подпора и объединения нескольких озёр, относящихся к разным речным бассейнам. Например, крупное водохранилище Смолвуд, на полуострове Лабрадор, Канада: площадь водной по- верхности – 6460 км2, высота над уровнем моря – 471 м. Создано в 1960-е годы путем строительства плотин на реке Черчилл возле одноимённого водопада. В отличие от других водохранилищ, вода сдерживается не одной большой дамбой, а серией из 88 плотин, об- щая длина которых 64 км. Уровень воды был поднят на 8,3 метра. Несколько сотен озёр, включая крупные озера Мишикамо и Лобстик, стали частью огромного водохранилища объёмом 28 км3. Название дано в честь Джозефа Роберта Смолвуда, первого премьер- министра Ньюфаундленда. К озёрам-водохранилищам отнесены водохрани- лища, образованные путём подпора озёр при отно- сительно небольшом изменении основных парамет- ров этих естественных водоёмов. С определённой долей условности можно принять, что озёрами- водохранилищами можно считать водохранилища, площадь которых в результате подпора увеличи- лась не более чем на 1/3 по сравнению с первона- чальной [1]. На земном шаре насчитывается не- сколько тысяч водохранилищ, созданных путём за- регулирования озёр. Точно учесть их общее коли- чество трудно, потому что часто уровень неболь- ших озёр искусственно повышается невысокими плотинами. Преимущество зарегулированных озёр по сравнению с другими типами водохрани- лищ заключается в том, что при незначительном подпоре и небольшой площади затопле- ния земель можно аккумулировать большой объём воды. Среди крупных озёр мира, уровень которых поднят плотинами, – озёра Виктория в Африке, Байкал в России, Виннипег и Онтарио в Северной Америке. Значительны по площади и объёму многие другие озёра-водохранилища, среди которых можно выделить: Онежское, Имандровское, Кумское, Шекснинское, Сегозерское, Волховское в России; Сайменское, Инари, Венерн в Европе; Рейни-Лейк, Лесное, Окичоби, Даниел-Джонсон, Рейндир в Северной Америке; Гордон в Австралии. Онежское озеро – озеро на северо-западе Европейской части России, второй по ве- личине пресноводный водоём в Европе после Ладожского озера. Площадь озера без ост- ровов составляет 9690 км², а с островами – 9720 км²; объём водной массы – 285 км³; длина с юга на север – 245 км, наибольшая ширина – 91,6 км; средняя глубина – 30 м, а макси- мальная – 127 м. Котловина озера расположена на стыке крупных геологических структур – Балтий- ский щит в северной части и Русская платформа в южной части озера. 19

В Онежское озеро впадают около 50 рек, а вы- текает только одна – Свирь. Сток из озера зарегу- лирован Верхне-Свирской ГЭС, входящей в Свирский каскад и находящейся в городе Подпо- рожье, Ленинградской области. Строительство ГЭС началось в 1938 году и закончилось в 1952 году. Является русловой низконапорной гидро- электростанцией с водосбросной бетонной пло- тиной длиной 111 м и земляной дамба длиной 350 м, однониточным однокамерным судоходным шлюзом и зданием ГЭС длиной 118 м. Подпорные сооружения ГЭС образуют крупное Верхне-Свирское водохранилище многолетнего регулирования, включающее в себя Онежское озеро. Площадь водохрани- лища при НПУ 33,3 м составляет 9945 км2, полная и полезная ёмкость 260 и 12,7 млн. м3 соответственно. Длина напорного фронта 660 км. При создании водохранилища было за- топлено 1,87 тыс. га сельхозугодий и перенесено 314 строений. Русловые долинные, созданные подпором реки плотиной, и зарегулированные озё- ра-водохранилища являются одними из самых масштабных антропогенных водоёмов су- ши. Как правило, их характерным географическим размещением являются ландшафты тайги; смешанного, субтропического, различного вида тропического и муссонного лесов, а также гор со значительными запасами воды в виде ледников и снежных осадков. Для ландшафтов лесостепей, засушливых пустынь, полупустынь, засушливых сте- пей, полузасушливых пустынь, травяных и древесных саванн характерен дефицит влаги, что вызывает необходимость в накоплении воды на временных естественных и искус- ственных водотоках, периодически действующих оврагах, в естественных понижениях, искусственных котловинах и руслах посредством сооружения наливных водохранилищ. Наливные водохранилища. Создаются в естественных понижениях, искусственных котловинах, руслах и балках. Заполняются водой из рядом расположенных водотоков или водоёмов. Характерны для ландшафтов с засушливым климатом и при реализации гидро- технических решений. Например, различного назначения промышленные водохранилища- охладители, нижние и верхние бассейны ГАЭС, коллекторы сбросных вод и пр. Для ландшафтов с засушливым климатом в наливные водохранилища подаются пре- имущественно избыточные паводковые воды с целью ирригации. Например, ирригацион- ные водохранилища Каттакурганское, Тудакульское и Куюмазарское в Средней Азии, Ва- ди-Тартар, Хаббания и Абу-Дибс в Ираке, а также система наливных водохранилищ в Крыму, Краснодарском крае и т.д. Одним из масштабных проектов для создания системы наливных водохранилищ явился Северо- Крымский каналом (СКК), построенным в 1961- 1971 годах для орошения земель засушливых ре- гионов Херсонщины и Крыма водами реки Днепр. Для подачи воды из Днепра было сооружено обширное Каховское водохранилище. Систему наливных водохранилищ Северо-Крымский кана- ла образуют Зеленоярское, Ленинское (Юз- Макское), Межгорное, Самардинское, Соколь- ское, Стационное (Керченское), Феодосийское и Фронтовое водохранилища. 26 апреля 2014 года Украина перекрыла шлюзы СКК, после чего до- ступ воды на территорию Крымского полуострова почти полностью прекратился. 20

Наливные водохранилища во многом обеспечивали решение водной проблемы Кры- ма. Например, Станционное (Керченское) водохранилище наливного типа, расположенное вблизи села Станционное, Ленинского района, строилось в балке Зелёный Яр с октября 1971 года по апрель 1975 года, начало заполняться с 5 мая 1975 года и предназначалось для водоснабжения города Керчь. Эксплуатируется в каскаде с Фронтовым и Зеленояр- ским водохранилищами. Длина Станционного водохранилища составляет 3,2 км, макси- мальная ширина – 1,1 км, максимальная глубина – 22,4 м, средняя глубина – 8,9 м, пло- щадь зеркала – 270 га, объём – 24 млн. м³. Земляная плотина имеет длину 572,5 м и высоту 25 м, длина береговой линии составляет 7,5 км. Вода из Северо-Крымского канала подаёт- ся в водохранилище насосной станцией с расходом 9,7 м³/с. Мощные насосы поднимают воду их водохранилища на 53 м и подают её в Керчь. Водозаборное сооружение тоннельного типа с размещением башни в водохранилище. Пропускная способность 38,8 м³/с. Тоннель проходит в глинах и известняках и представ- ляет собой трубу диаметром 2124 мм, омоноличенную железобетоном толщиной 30 см. Длина тоннеля 279 м. Заканчивается тоннель выходным порталом. Задвижки перед вхо- дом в тоннель позволяют регулировать подачу воды в Станционное водохранилище и насосную станцию. Наливные водохранилища широко распространены в практике создания гидроакку- мулирующих электростанциях (ГАЭС), способных накапливать запас воды в верхнем бас- сейне для дальнейшего его использования (главным образом выработки электроэнергии) по мере необходимости. Очень необычен верхний бассейн ГАЭС Taum Sauk, построенной на плато Озарк, штат Миссури в США, более чем в 80 км от ближайшего источника воды – река Миссисипи. Верхний бьеф ГАЭС вмещает около 5 млрд. м3 воды. Гидротехнические сооружения ГАЭС состоят, как правило, из двух бассейнов, расположенных на разных уровнях и соединённых трубопроводом. Верхний бассейн ГАЭС может быть искусствен- ным или естественным (например, озе- ро), нижним бассейном часто служит водоём, образовавшийся вследствие пе- рекрытия реки плотиной. У нижнего конца трубопровода в здании ГАЭС обычно устанавливают обратимые гид- роагрегаты. В режиме накопления ГАЭС перекачивают воду из нижнего в верхний бассейн. В режиме генерирования электроэнергии они работают как на обычных ГЭС, преобразуя энергию потока воды, свободно перетекающей из верхнего в нижний бассейн, в электри- ческую энергию. Время пуска и смены режимов работы гидроагрегатов составляет не- сколько минут, что предопределяет высокую эксплуатационную манёвренность ГАЭС. Способность ГАЭС потреблять избыточную электроэнергию в ночные часы и отдавать её в часы наибольшего потребления энергии, делает их действенным средством для вырав- нивания электроэнергетического потенциала энергосистем, основу которых составляют крупные паротурбинные и атомные электростанции. Если первые ГАЭС имели КПД не больше 40%, то КПД современных ГАЭС уже достигает 70-75%. Первые ГАЭС появились в Западной Европе в конце XIX века. Так, в 1882 году в Швейцарии, в окрестностях Цюриха, была построена установка с двумя насосами общей мощностью в 103 кВт. Спустя 12 лет, подобная установка заработала уже на одной из ита- льянских прядильных фабрик. Если к началу XX века общее число ГАЭС в мире не пре- вышало четырёх, то к началу 1960-х годов оно достигло 72, а к 2010 году – 460. 21

Наиболее экономичны и мощные ГАЭС с напором воды в несколько сотен метров сооружены на скальных основаниях вблизи центров потребления электроэнергии. К ним относятся зарубежные ГАЭС: Том-Сок (США) – мощность 350 МВт, напор 253 м, 1963 год; Вианден (Люксембург) – 900 МВт, напор 280 м, 1964 год; Хоэнварте-II (Германия) – 320 МВт, напор 305 м, 1965 год; Круахан (Великобритания) – 400 МВт, напор 440 м, 1966 год и др. Первая ГАЭС на территории бывшего СССР мощностью 225 МВт была соору- жена под Киевом в 1972 году. В настоящее время в России функционируют гидроаккуму- лирующий комплекс канала имени Москвы, Кубанская и Загорская ГАЭС. Загорская ГАЭС была построена на реке Кунье у посёлка Богородское в Сергиево- Посадском районе Московской области и яв- ляется важным структурным элементом энергосистемы Центра; участвует в автома- тическом регулировании частоты и перетоков мощности, покрывает суточные пиковые нагрузки в Московской и Центральной энер- госистемах. Первая очередь Загорской ГАЭС мощностью 1200 МВт была построена в 1980-2003 годах. С 2007 года ведётся строительство второй очереди ГАЭС мощностью 840 МВт, по- сле его завершения Загорская ГАЭС станет самой крупной электростанцией Московского региона. Кубанская ГАЭС построена у посёлка Водораздельный на Большом Ставропольском канале в 1967 году и является первой введённой в эксплуатацию ГАЭС в России. Исполь- зуется для сезонного регулирования воды в канале, обеспечивая наполнение его водой в маловодный осенне-зимний период. Имеет оригинальную конструкцию – здание электро- станции размещено на дне водохранилища. Входит в состав каскада Кубанских ГЭС (группа Куршавских ГЭС), являясь его головной ступенью. Установленная мощность электростанции в турбинном режиме составляет 15,9 МВт, в насосном режиме – 14,4 МВт, среднегодовая выработка электроэнергии – 10,7 млн. кВт×ч. Водохранилища на временных водотоках. Водохранилища на временных водото- ках чаще всего создаются в странах с засушливым или муссонным климатом, а также в горных странах с субнивальным (подснежным) климатом. Небольшие водохранилища, расположенные на пересыхающих водотоках, особенно многочисленны в Юго-Восточной Индии (штат Мадрас), в Шри-Ланке, в предгорных пустынях и полупустынях Северной Африки и Аравии. В их питании большую роль играют воды, образующиеся во время тая- ния снегов, выпадающих иногда в горах. Водоток – водный объект, характеризующийся по- стоянным или временным движением воды в русле в направлении общего уклона. Обычно временными считаются водотоки, в которых движение воды про- исходит меньшую часть года. К естественным водотокам относятся реки и ручьи. Режимом реки называют характер её поведения во времени: распределение и изменение величины рас- хода воды по сезонам года, колебания уровня, обра- зование ледяного покрова и вскрытие рек. В режимах рек различают несколько периодов: половодье – ежегодно повторяющееся в один и тот же сезон значительное увеличе- ние водоносности реки, вызывающее на длительный срок подъём уровня и выход воды из русла, возникающее в результате таяния снега; 22

паводки – внезапные кратковременные и нерегулярные подъёмы уровня воды в ре- ках, возникающие в результате обильных дождей; межень – период низких уровней. Водность рек в период межени наименьшая и может характеризоваться полным пе- ресыханием русла. Водоток превращается в ручей или уходит в грунт, оставляя на по- верхности безводное пространство. Для уменьшения синоптических колебаний водности на таких реках создают водохранилища, аккумулирующие воду в фазы половодий и па- водков и сохраняющие её наличие для фазы межень. Известный советский учёный-гидролог Бориса Дмитриевича Зайкова [23.11.1987 - 28.05.1961] разработал классификацию рек бывшего СССР на основе исследования харак- терных черт внутригодового режима стока и анализа годовых гидрографов рек. Гидрограф – график изменения расхода воды во времени за год или часть года (сезон, половодье или паводок) в данном створе водотока, строится по среднесуточным расходам воды. Среди классифицированных Б.Д. Зайкова десяти тип рек выделяются казахский, во- сточно-сибирский, дальневосточный и крымский, которые могут приводить к низкой ме- жени и образовывать временные водотоки [30]. Казахстанский тип рек, характеризующийся исключительно резкой и высокой волной ве- сеннего половодья, продолжительностью ме- нее 1 месяца и низким, вплоть до полного пе- ресыхания рек, стоком в остальное время года. Максимальный расход половодья в среднем в несколько десятков раз превышает средний годовой расход. Этот тип рек распространён по северной окраине Арало-Каспийской низ- менности, в Центральном и Западном Казах- стане и в Южном Заволжье. Восточно-сибирский тип рек характеризуется очень долгим половодьем с постоян- ным колебанием расхода воды, летне-осенними паводками и зимней меженью. Макси- мальный расход половодья превышает средний годовой расход в среднем в 25 раз. Дож- девые паводки на большинстве рек высоки, а в отдельные годы их максимальные расходы могут превышать максимальные расходы весеннего половодья. В осенне-зимний период низкая межень приводит к промерзанию крайне скудного водотока. Дальневосточный тип рек характеризуется невысоким, сильно растянутым, имею- щим гребенчатый вид половодьем и низким, вплоть до полного истощения запасов грун- товых вод и промерзания рек, стоком в холодную часть года. Продолжительность летнего половодья составляет 4-6 месяцев. Зимой – низкая межень, обусловленная многолетней мерзлотой. Максимальный расход половодья в среднем увеличивается в 10-15 раз. Крымский тип рек характеризуется паводками зимой и весной. Летом и осенью наблюдается устойчивая межень, а некоторые реки в это время года даже пересыхают. Распространён в горах Крыма, в Ленкорани, на западной оконечности северного склона Большого Кавказа и на западном склоне Жмудских высот в Прибалтике. Для ландшафтов лесостепей, засушливых пустынь, полупустынь, засушливых сте- пей, полузасушливых пустынь, травяных и древесных саванн, испытывающих дефицит воды, характерным является рациональная комбинация наливных водохранилищ и водо- хранилищ на временных водотоках, что обеспечивает оптимальный гидрологический ре- жим регионов. Создаются водохранилища смешанного типа. Приморские водохранилища. Береговая зона является наиболее динамичной кон- тактной зоной моря и суши, в которой происходит взаимодействие гидросферы, литосфе- ры, атмосферы и техносферы. Специфика данного взаимодействия позволяет создавать 23

котловины водохранилищ на основе заливов, лагун, лиманов и прибрежных озёр, а чаши – на основе речных и грунтовых стоков, приливов/отливов и естественного взаимодействия с морем. Котловины дополняются плотинами, дамбами и проходами, а в результате по- ступления поверхностного и грунтового стока в огороженных от моря акваториях проис- ходит постепенное вытеснение солёной воды пресной, пригодной для технического водо- снабжения или иных целей. Приливы/отливы создают новые возможности для гидроэнер- гетики. Лагуна [от итал. laguna - озеро] – мелкий водоём, отделённый от моря узкой полосой намытого песка (пересыпью) или коралловыми рифами. Типичный пример лагунного города – Венеция. Первоначально лагуной называлась только Венецианская лагуна, потом этот термин стал применяться к мелким зали- вам по всему миру. Если в лагуну впадает крупная река, то вода в лагуне может быть почти пресной, а её уровень может превышать уровень моря. В таком случае лагуны фактически являются лиманами. Например, лиманы в дельте Кубани. В то же время, на Чёрном и Азовском морях так называются неко- торые лагуны без впадающих рек. При впадении реки в море может образовываться эстуарий [от лат. aestuarium - за- топляемое устье реки] – однорукавное, воронкообразное устье реки, расширяющееся в сторону моря. Одним из самых больших эстуариев в мире является Ла-Плато [от исп. Rio de la Plata - серебряная река], образованный при слиянии рек Уругвай и Парана. Это во- ронкообразное углубление на юго-восточном побережье Южной Америки, растянувшееся на 290 км от места слияния рек до Атлантического океана. Более точным определением эстуария будет следующее – общее название полузамкнутых водных объектов, являю- щихся частями устьевых областей рек и характеризующихся активными процессами сме- шения речных и морских вод. Особой формой эстуариев являются лиманы, представляющие собой затопленную морем устье- вую часть долины реки. Лиманы образуются при опусканиях береговой полосы. В отличие от лима- на, участок моря, примыкающий к морскому берегу и отделённый от основного морского пространства косой, называется лагуной. Таким образом, лиман представляет собой как бы часть реки, лагуна же является частью моря. Наносы, выносимые реками в море, откладываясь за пределами устья, образуют мелководное взморье – бар. Лиман [от греч. λιμένας - гавань, бухта] – мелководный залив при впадении реки в море. Лиман образуется при затоплении морем равнинных рек и может быть открытым – губа или отделённым от моря узкой полосой суши – пересыпью. Обычно вода лимана имеет промежуточную солёность между водой моря и пресной водой реки, но при малом притоке пресной воды он может сильно засоляться вследствие испарения. Классическим примером является Эйсселмер – искусственно созданное пресновод- ное озеро в центральных Нидерландах на месте бывшего залива Зейдерзее. От Северного моря на севере отделено 32 километровой дамбой толщиной 60 метров. Общая площадь – 1100 км2, средняя глубина – от 5 до 6 метров. Озеро получило своё название от реки Эйс- сель, впадающей в него через небольшое озеро Кетелмер. 24

Эйсселмер – крупнейший по площади пресноводный водоём Западной Европы, воз- ник в 1932 году в результате комплексного плана по мелиорации Нидерландов, подготов- ленного группой инженеров во главе с Корнелиусом Лели. Согласно этому плану, залив Зейдерзее был отгорожен искусственной дамбой от Северного моря. За дамбой закрепи- лось название Афслёйтдейк. В Книге рекордов Гиннеса она значится как самая большая по протяжённости морская дамба из всех существующих в мире. Часть территории залива была осушена и стала провинцией Флеволанд, а часть стала искусственным озером Эйс- селмер. В 1975 году Эйсселмер был разделён на две части. Западная меньшая часть была отделена дамбой Хаутрибдейк и стала самостоятельным озером Маркермер. Озеро служит важным резервуаром пресной воды и используется для нужд сельского хозяйства и водо- снабжения предприятий и домохозяйств. Широко используется в рекреационных целях: по озеру плавают прогулочные корабли, на берегах озера развит туризм. Примером изменения приморского озера в ан- тропогенный водоём с признаками залива и во- дохранилища является озеро Донузлав. Донузлав являлось самым глубоким озером Крыма. Про- исхождение – тектоническое. От моря Донузлав отделено песчаной пересыпью, длина которой составляет 9 км, ширина – от 200 до 600 метров. Площадь зеркальной поверхности составляет 47 км². В результате строительства в 1961 году во- енно-морской базы песчаная пересыпь была раз- делена 200 метровым каналом. Фактически с этого момента Донузлав перестал существовать как озеро, но название так и сохранилось. При Советском Союзе район озера Донузлав был сверхсекретным объектом. До 1994 года здесь располагалась Крымская военно-морская база Черноморского флота, а после – Южная военно-морская база Украины. Донузлав представляет собой лучшую естествен- ную гавань на Чёрном море, по удобству не уступающую известным бухтам Севастополя и Балаклавы. Приливные электростанции (ПЭС) – особый вид гидроэлектростанций, использую- щих энергию приливов; строятся на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки существенно изменяют уровень воды. Самые большие приливы и отливы отмечены в бухте Фанди (15,6-18 м), находящейся на восточном побережье Кана- ды между Нью-Брансуиком и Новой Шотландией. На Европейском континенте самые вы- сокие приливы (до 13,5 м) наблюдаются в Бретани у города Сен-Мало, в России – в Пен- жинской губе Охотского моря – до 12,9 м. Это точка самых высоких приливов на всём Тихом океане. Для ПЭС в основном применяется наиболее эффективная однобассейновая схема с одно- сторонним и двухсторонним действием. В со- став сооружений приливных электростанций входят здание ПЭС, водопропускное сооруже- ние и глухая плотина, перегораживающая естественный морской залив. Залив – часть океана, моря, озера или другого водоёма, глу- боко вдающаяся в сушу, но имеющая свобод- ный водообмен с основной частью водоёма. При однобассейновой схеме двухстороннего действия достигается наиболее полное соответствие работы ПЭС естественному циклу приливов и отливов. Схема предусматри- вает, что в начале прилива опущенные затворы отделяют бассейн от моря и при достиже- 25

нии необходимого минимального напора (между уровнями моря и бассейна) начинают работать турбины, используя поток воды из моря в бассейн, и происходит наполнение бассейна. Когда перепад между морем и бассейном достигает минимума, отключаются турбины, затворы поднимаются и происходит выравнивание уровней в море и бассейне, после чего затворы закрываются, отделяя бассейн от моря. В период отлива при достиже- нии необходимого напора (между уровнями бассейна и моря) включаются турбины и про- исходит опорожнение бассейна. Затем цикл повторяется. В России c 1968 года действует Кислогуб- ская ПЭС – экспериментальная приливная электростанция, расположенная в губе Кис- лая Баренцева моря, вблизи поселка Ура- Губа Мурманской области. Станция установлена в узкой части губы Кислая, высота приливов в которой достига- ет 5 метров. Конструктивно станция состоит из двух частей – старой, постройки 1968 го- да, и новой, постройки 2006 года. На 2009 год её мощность составляла 1,7 МВт. В здании ПЭС размещено два гидроагрегата – один мощностью 0,2 МВт (диаметр рабочего колеса 2,5 м, находится в старом здании) и один мощностью 1,5 МВт (диаметр рабочего колеса 5 м, находится в новом здании). На 2009 год её мощность составляла 1,7 МВт. Существуют ПЭС и за рубежом – во Франции, Великобритании, Канаде, Китае, Индии, США и Южной Корее. ПЭС «Ля Ранс» во Франции, построенная в эстуарии реки Ранс (Северная Бретань) в 1966 году, имеет плотину длиной 800 м и мощность 240 МВт. До ввода в эксплуата- цию Сихвинской ПЭС в Южной Корее в ав- густе 2011 году считалась самой большой ПЭС в мире. Выбор для строительства ПЭС устья реки Ранс обусловлен приливами, вы- сота которых может достигать 13,5 м, а их обычная высота – 8 м. Сихвинская ПЭС – крупнейшая в мире на настоящий момент приливная электро- станция, расположена в искусственном заливе Сихва-Хо на северо-западном побережье Южной Кореи, обладает мощностью 254 МВт. Электростанция располагается на северо- западном побережье Южной Кореи в провинции Кёнгидо на запад от города Ансан, при- мерно в 40 км к юго-западу от столицы Республики Кореи Сеул. ПЭС использует силу Жёлтого моря, расположенного между Корейским полуостровом и Китаем. По причине большой площади залива и относительно небольшой глубины возникают сильные прили- вы. В Бухте Ансан, от которой отделён залив Сихва, прилив составляет около 8 метров. В регионе помимо Сихвинской ПЭС запланировано строительство ещё трех приливных электростанций в бухтах Гарорим (500 МВт), Инчхон (1320 МВт) и Хонсу (700 МВт). Подземные водохранилища – это подземные гидротехнические сооружения для хранения и распределения запасов воды (обычно в черте города). Как правило, для обес- печения водонапора располагаются на возвышенностях. Действующие водохранилища охраняемы, т.к. являются стратегическими объектами. При создании в качестве ёмкости могут использовать подземные пустоты. Например, карстовые пустоты водохранилищ Врла-III и Кокин Брод, каскадов на реках Мережница и Добра в Сербии. 26

Цистерна Базилика – одно из самых крупных и хорошо сохранившихся древних подземных водохранилищ Константинополя, имеющее не- которое поверхностное сходство с дворцовым комплексом. Водохранилище расположено в историческом центре Стамбула в районе Сул- танахмет, напротив Собора Святой Софии. «Цистерна» переводится с греческого как «во- дохранилище». В настоящее время под Стам- булом найдено более 40 цистерн. В Базилике хранился резерв питьевой воды на случай засухи или осады города, вода доставлялась по водопроводу и акведукам (в том числе и по самому большому акведуку Константинополя – акведуку Валента) из источников Белградского леса, расположенном в 19 км к северу от города. Под огромным парком Монсури в Париже имеется стратегический для города объ- ект. Здесь расположилось водохранилище, которое многие годы оставалось закрытым для широкой публики. Резервуар был сооружён в 1874 году. Он содержит более 200 тыс. м3 воды. Своды водохранилища поддерживают 1800 колонн. Г. Классификация водохранилищ по размерам. Среди показателей, характеризу- ющих разнообразные по генезису и форме водохранилища, наиболее важными являются объём и площадь водного зеркала, поскольку именно они в значительной степени опреде- ляют воздействие водохранилищ на окружающую среду и их эксплуатационный потенци- ал. Для репрезентативности сравнения размеров различных водохранилищ их параметры обычно приводят при отметках НПУ и УМО. По озёрам-водохранилищам учитывается только объём регулируемого верхнего слоя (полезный объём), а не весь объём зарегули- рованного озера. Таблица 2 – Классификация водохранилищ по объёму и площади зеркала [19,32] 3 2 Отношение к общему Тип Объём полный, км Площадь, км числу водохранилищ, % Крупнейшие более 50 более 5000 менее 0,1 Очень крупные 10 - 50 500 - 5000 1 Крупные 1 - 10 100 - 500 5 Средние 0,1 - 1 20 - 100 15 Небольшие 0,01 - 0,1 2 - 20 35 Малые менее 0,01 менее 2 44 В науке до сих пор нет общепризнанной классификации водохранилищь по глубине – очень важного параметра, определяющего особенности многих гидрологических, физико-химических и биологических процессов. В «Методических указаниях по разра- ботке правил использования водохранилищ» применяется классификация предложенная М.А. Фортовым в 1972 году, позволяющая группировать по наибольшей и средней глуби- нам водохранилища различных типов, включая и многие зарегулированные озёра, хотя, конечно, глубочайшее в мире озеро Байкал, подпёртое плотиной Иркутской ГЭС, далеко выходит за рамки предлагаемой шкалы. Таблица 3 – Классификация водохранилищ по глубине [19] Тип Максимальная глубина, м Средняя глубина, м Исключительно глубокие более 200 более 60 Очень глубокие 100 - 200 30 - 60 Глубокие 50 - 100 15 - 30 Средней глубины 20 - 50 7 - 15 Неглубокие 10 - 20 3-7 Мелководные менее 10 менее 3 27

Д. Классификация водохранилищ по степени регулирования стока. Водохрани- лища являются гидротехническими объектами, которые создаются с целью регулирования стоков в интересах решения задач энергетики, ирригации, водного транспорта, водоснаб- жения, борьбы со стихийными бедствиями и решения других задач человеком. Их основ- ные параметры (объём, площадь, место расположения и режим регулирования), а вместе с ними и многие другие характеристики, задаются на стадии проектирования. Регулирова- ние стоков водохранилищ осуществляется специальными техническими системами, со- оружениями и устройствами (гидротурбины, водосборные отверстия с затворами и пр.), позволяющими изменять объём и уровень воды в водохранилище. Степень зарегулированности стока водохранилища характеризуется коэффициентом относительной ёмкости водохранилища (коэффициент ёмкости) β, равным отношению полезного объема водохранилища Vпол к среднему за многолетний период значению объ- ёма годового стока W0 в створе плотины, β = Vпол / W0. Различают регулирование водно-энергетическое и водохозяйственное. При водно- энергетическом регулировании водохранилищем производится перераспределение стока для энергетических целей, а при водохозяйственном – в целях водопользования и водопо- требления. При любом виде регулирования потребители в некоторые периоды времени работают с расходом воды превышающим приток – проводится сработка водохранилища, в другие периоды времени воды расходуется меньше притока – происходит наполнение водохранилища. Требования, предъявляемые к регулированию стока потребителями, различны и ино- гда противоречивы. Например, для целей водного транспорта наибольшие расходы воды требуются летом, когда наблюдается минимальный естественный сток воды в реках, что- бы существенно увеличить глубины для обеспечения безопасного движения судов боль- шой грузоподъёмности. Для энергетики наибольшие расходы воды нужны в осенне- зимний период, когда увеличивается потребность в выработке электрической энергии для промышленных объектов. Кроме того, интересы энергетики требуют неравномерного рас- ходования воды в течение суток и по дням недели из-за неравномерного потребления электроэнергии. Сельское хозяйство нуждается в резком увеличении расходов воды в ос- новном в течение короткого вегетационного периода для орошения полей и полива расте- ний. Поэтому при проектировании водохранилищ и мероприятий по регулированию их стока необходимо учитывать интересы всех отраслей хозяйства, чтобы получить наибольший экономический эффект от использования водных ресурсов. В зависимости от длительности циклов различают суточное, недельное, сезонное, годичное и многолетнее регулирование водохранилищ. Способы регулирования связаны с природными и социальными циклами: суточный режим биологических процессов и ан- тропогенной деятельности человека, недельный цикл жизни общества (рабочие и нерабо- чие дни), годовой цикл гидрометеорологических процессов, протекающих в различных природных зонах, многолетний режим изменения гидрологических режимов регионов. Водохранилища проектируются изначально для обеспечения заданного режима регулиро- вания и комплексного решения водно-энергетических и водохозяйственных задач. Многолетнее регулирование позволяет пере- распределять сток за несколько лет, накапливая его в водохранилище в многоводные годы и сра- батывая в маловодные. К таким водохранилищам относятся, например, водохранилища: Верхне- Свирское на реке Свирь, Рыбинское на реке Вол- ге, Цимлянское на реке Дон, Братское на реке Ан- гаре, Красноярское на реке Енисей и др. При многолетнем регулировании водохранилищ , например, существенно возрастает гарантированная мощность ГЭС и выработка ими электроэнергии. Проектные значения 28

коэффициентов относительной ёмкости водохранилищ многолетнего регулирования со- ставляют β = 0,3-0,6 и выше; обеспечивается практически 50% запас воды в полезном объ- ёме водохранилища по сравнению с объёмом годового стока, что делает возможным по- крытие неравномерности стока на значительных временных интервалах. Многолетнее ре- гулирование речного стока реализуется на многих крупных водохранилищах комплексно- го назначения. Например, в США на 73% водохранилищах объёмом свыше 1 км3, в стра- нах СНГ на 36% водохранилищах объёмом свыше 1 км3. Годичное регулирование обеспечивает перераспределение стока внутри года, накап- ливая его в водохранилище в многоводные сезоны (паводки и половодья) и срабатывая в период межени. Это наиболее распространённый тип регулирования стока. Для годичного регулирования водохранилища обычно проектируются из расчёта задания коэффициента ёмкости β > 0,1; обеспечивается практически 10-15% запас воды в полезном объёме по сравнению объёма годового стока, что делает возможным покрытие неравномерности стока на годовом интервале. Разновидностью годичного регулирования является сезонное регулирование стока, при котором сработка водохранилища для повышения уровней воды и увеличения глубин ниже гидроузла производится только во время наиболее затруднительного (например, для судоходства) меженного периода. По методу расходования воды из водо- хранилища различают два типа регулиро- вания: с постоянной и переменной отдачей воды [14]. На рисунке показаны несколько случаев запроектированного графика отдачи годич- ного регулирования: а) отдача равномерная на протяжении всего года; б) отдача равномерная с двумя ступенями в течение навигационного и зимнего периода; в) отдача ступенчатая с максимумом расхода в летний (меженный) период. Последние два случая характерны для сезонного регулирования стока. Рисунок 3 – Годовой (сезонный) регулируемый сток водохранилища Последний случай ступенчатого графика отдачи является типичным для компенси- рующего транспортно-энергетического регулирования. При этом в межень, когда имеются максимальные бытовые расходы воды, отдача из водохранилища наибольшая. В зимний период из водохранилища подаётся лишь гарантированный расход для турбин гидроэлек- тростанции, которая вырабатывает электрическую энергию. В период паводка зарегули- рованная отдача увеличивается. Недельное регулирование осуществляется в основном в интересах гидроэнергетики и связано с неравномерным потреблением электроэнергии; сток перераспределяется в тече- ние недели с уменьшением попусков в нерабочие дни и увеличением в рабочие дни. Например, в субботу и в воскресенье, когда многие предприятия не работают, потребле- ние электроэнергии существенно меньше, чем в рабочие дни недели. 29

Недельное регулирование позволяет повысить мощность и выработку энер- гии ГЭС в рабочие дни за счет сниже- ния используемого стока в выходные дни, когда нагрузка в энергосистеме снижается. Для недельного регулирования во- дохранилища проектируются из расчё- та значений коэффициента ёмкости β = 0,3-0,6. Рисунок 4 – Схема недельного регулирования стока Объём водохранилища, необходимый для проведения недельного регулирования стока, определяется объёмом избытков (V1) в нерабочие дни и объёмом превышения (V2) в рабочие дни: V = V1 = V2; (1.1) V1 = 86400 × (k - n) × (Q1 – Qср); (1.2) V2 = 86400 × k × (Qср – Q2), (1.3) где n – число дней в неделе; k – число нерабочих дней; Q1 и Q2 – средние расходы водопотребления в рабочие (n – k) и нерабочие (k) дни при среднем расходе Qср соответственно; 86400 – число секунд в сутках. Суточное регулирование обеспечивает неравномерный режим работы потребителей с покрытием пиковой части графика нагрузок. Водохранилища суточного регулиро- вания стока предназначены для перерас- пределения в течение суток равномерно- го стока реки в соответствии с неравно- мерным водопотреблением. Например, для повышения расходов в часы утрен- него и вечернего максимума за счёт снижения потребления в ночные и обе- денные часы. Рисунок 5 – Суточный регулируемый сток водохранилища Е. Классификация водохранилищ по глубине сработки и скорости водообмена. Классификация водохранилищ по глубине сработки уровня воды. Глубина сработки уровня воды водохранилища относится к числу важнейших показателей их гидрологиче- ского режима; она влияет на протекающие биологические процессы. Амплитуда колеба- ний уровней в водохранилищах обычно больше, чем в естественных озёрах. 30

При большом разнообразии режимов уровней водохранилищ многолетнего и сезон- ного регулирования для них можно выделить ряд общих черт. Наибольшей высоты уро- вень достигает в конце половодья; затем он сохраняется в течение последующего време- ни, неодинакового по продолжительности и календарным срокам, как на разных водохра- нилищах, так и на одном и том же водохранилище в годы различной водности. После это- го накопленные воды постепенно используются на питание каналов, насосных станций и на сброс через турбины гидроэлектростанции или через другие водосливные отверстия. Эта сработка водохранилищ идёт обычно медленно; до минимальных отметок уровень его снижается в предполоводный или предпаводковый период (для России – к концу зимы). Затем с нарастанием притока паводковых вод начинается накопление воды. Водохранилища многолетнего регулирования наполняются до НПУ не ежегодно, а, как правило, только раз в несколько лет. В правилах эксплуатации ряда водохранилищ предусмотрена возможность превышать (форсировать) отметку НПУ при прохождении паводков редкой повторяемости 1% (в среднем 1 раз в 100 лет); величина форсирования уровня на водохранилищах России при половодьях средней повторяемости 1% составляет обычно 20-70 см, а при повторяемости 0,1-0,01% – 1-3 метра и более. В результате анали- за данных по нескольким сотням водохранилищ мира составлена классификация, пред- ставленная в таблице [14,19]. Таблица 4 – Классификация водохранилищ по глубине сработки уровня воды Тип (сработка) Глубина сработки, м Примеры Джаварское (Грузия); Исключительно более 100 Гранд-Диксан, Мовуазен (Швейцария); большая Тинь, Розелан (Франция) Нурекское (Таджикистан); Токтомульское (Киргизстан); Очень большая 30 - 100 Чарвакское (Узбекистан); Кельбрейн, Вассерфальбоден (Австрия); Саяно-Шушенское (Россия) Чиркейское, Хантайское, Красноярское (Россия); Большая 10 - 30 Кленталерзее, Иннерталь (Швейцария); Тауернмоос, Зильвретта (Австрия) Рыбинское, Куйбышевское, Цимлянское, Братское (Россия); Средняя 3 - 10 Кременчугское, Каховское (Украина); Зильзе (Швейцария) Волгоградское, Усть-Илимское, Горьковское (Россия); Небольшая 1-3 Киевское (Украина); Ашах (Австрия) Саратовское, водохранилища каналов Волга-Дон (Россия); Малая менее 1 Днепровское (Украина); Рейн – Майн - Дунай Классификация водохранилищ по скорости водообмена. Для характеристики водо- обмена и степени проточности водохранилищ и озёр разными авторами применяются раз- личные показатели. Одним из основных и наиболее удобных показателей для характери- стики смены воды, аккумулируемой в водохранилищах, можно считать осреднённую во- дообменность – отношение объёма водохранилища при НПУ к объёму среднегодового стока в створе плотины (определяет период водообмена, лет). На основе данного показа- теля разработана классификация водохранилищ по скорости водообмена, представленная в таблице [14,19]. 31

Таблица 5 – Классификация водохранилищ по скорости водообмена Тип (скорость водообмена) Период водообмена, лет Примеры Днепродзержинское, Каневское, Киевское (Украина); Очень большая менее 0,1 Саратовское (Россия); Франклин Рузвельт, Мак-Нери (США) Горьковское, Куйбышевское, Большая 0,1 – 0,25 Волгоградское, Камское (Россия); Бич-Бенд (США) Кременчугское, Каховское (Украина); Значительная 0,25 – 0,50 Чиркейское (Россия); Форт Рандол (США) Усть-Илимское, Саяно-Шушенское, Средняя 0,50 – 1,0 Рыбинское, Красноярское (Россия) Братское, Цимлянское (Россия), Токтогульское (Киргизстан); Небольшая 1,0 – 2,0 Мингечаурское (Азербайджан); Оахе, Поуэл (США) Бухтарминское (Казахстан); Малая более 2,0 Форт Пек (США) Естественно, что крупные озёра-водохранилища по показателям водообменности выходят за рамки приведённой классификации. Например, период смены полного объёма Онежского (Верхне-Свирского) водохранилища близок к 17 годам, а озера Байкал – при- мерно к 400 годам. Водообмен неглубоких проточных озёр близок к водообмену водохра- нилищ многолетнего регулирования. Ж. Гидрохимическая и экологическая классификация водохранилищ Гидрохимическая классификация. Воды водохранилищ, так же как и любые другие природные воды (озёрные, речные, морские и пр.), содержат некоторое количество рас- творённых веществ, среди которых различают минеральные и органические вещества и растворённые газы. В зависимости от относительного содержания растворённых мине- ральных веществ или от степени минерализации (солёности, концентрации) воды водо- хранилищ подразделяют на три группы: пресные – с содержанием растворённых веществ до 1 г/кг; солоноватые – 1-25 г/кг; солёные – более 25 г/кг. Граница между пресными и со- лёными водами принята по среднему пределу чувствительности человека на вкус и вы- брана на том основании, что при минерализации около 25 г/кг (для морской воды 24,695 г/кг) температуры замерзания и максимальной плотности воды равны между собой. При меньшей минерализации температура замерзания, как и у пресной воды ниже, а при большей – выше температуры наибольшей плотности. Таким образом, эта граница имеет определенный физический смысл и важное гидрологическое значение. Термин «минера- лизация» обычно употребляется применительно к пресной воде, «солёность» – к морской и «концентрация» – к солёной воде. Как правило, водохранилища создаются на мате- риках с целью создания запасов пресной воды. В некоторых из них вода оказывается настолько бед- ной растворёнными солями, что приближается к дистиллированной воде. Особенно бедны раство- рёнными солями горные водохранилища, располо- женные среди малорастворимых кристаллических пород и питающихся слабоминерализованными та- лыми снеговыми и ледниковыми водами. Наиболее солёными являются приморские водохранилища. 32

Среди растворённых в воде веществ различают минеральные и органические веще- ства, а также – газы. Минеральные вещества, растворённые в воде, в свою очередь подразделяют на глав- ные ионы, биогенные вещества и элементы рассеяния. К главным ионам, встречающимся в водохранилищах в наибольших количествах и обусловливающих их солёность и химический состав, относятся: гидрокарбонатные ионы – HCO3-, карбонатные ионы – СО32-, сульфатные ионы – SO42+, хлоридные ионы – Cl-, ио- ны кальция – Са2+, ионы магния – Mg2+, ионы натрия – Na+, ионы калия – К+. Основным источником поступления главных ионов в водохранилища является принос их с речными водами. Биогенные вещества (названы так потому, что они играют огромную роль в жизне- деятельности водных организмов) находятся в воде в виде ионов и коллоидов. К биоген- ным веществам относятся следующие ионы: нитратные ионы – NO3-, нитритные ионы – NO2-, ионы аммония – NH4+, ионы фосфорной кислоты – H2PO4- и HPO42-. Соединения азота и фосфора образуются в водохранилищах в результате биохими- ческих процессов (распада и минерализации сложных органических веществ животного и растительного происхождения) с участием различных бактерий и ферментов. Содержание указанных биогенных веществ в воде невелико, обычно значительно ниже 1 мг/л, однако присутствие их имеет громадное значение для развития растительных организмов, осу- ществляющих фотосинтез. Соединения азота и фосфора играют в озёрной воде ту же роль, что и агрономические удобрения в почве. Без них не было бы растительности в водоёмах и, следовательно, прочих организмов, в том числе рыб, т.е. жизни в водоёме вообще. Кро- ме азота и фосфора, к биогенным веществам относятся различные соединения железа и кремния. Органические вещества, содержащиеся в водоёмах, представляют собой сложный комплекс белковых, углеводных, жировых и других углеродистых соединений и являются продуктами распада самых различных растительных и животных организмов; могут по- ступать в водохранилища как извне (аллохтонные вещества), так и образовываться в са- мом водохранилище (автохтонные вещества). К аллохтонным веществам относят гумусовые вещества, окрашивающие воды в желто-коричневые цвета и образующиеся при гниении (без достаточного доступа кисло- рода) остатков болотной растительности, древесной листвы и пр. Кроме того, органиче- ские вещества могут поступать со сточными и промышленными водами, а также в резуль- тате смыва с покрывающих поверхность водосбора культурных земель, удобряемых орга- ническими веществами. В самих же водохранилищах органические вещества непрерывно образуются в результате отмирания различных водных организмов. Одна часть этих остатков остаётся взвешенной в воде и служит пищей другим организмам или подвергает- ся распаду, а другая – осаждается на дно, где разлагается в более сложных условиях. Ор- ганические вещества по химическому составу чрезвычайно сложны и разнообразны, при- чём их большая часть находится в коллоидном состоянии. О содержании органических веществ в воде судят по её окисляемости, т.е. на осно- вании реакции окисления этих веществ (количество потраченного кислорода, мг/л), так как непосредственный анализ представляет весьма большие затруднения. Растворённые в воде газы образуются в результате газообмена с атмосферой или вследствие происходящих в воде биологических и биохимических процессов. Двуокись углерода (СО2) может поступать также с грунтовыми водами, нередко очень богатыми этим газом. Из растворённых газов наибольшее значение имеет кислород (О2) и двуокись углерода (СО2), а в некоторых водоёмах – сероводород (H2S) и метан (СН4). Азот (N2) хотя и содержится в воде в больших количествах, но благодаря своей инертности не играет су- щественной роли. Кислород поступает в воду главным образом из атмосферы, абсорбируется поверх- ностными слоями воды и далее процессами перемешивания передаётся вглубь. Другим 33

источником кислорода в воде является процесс фотосинтеза, т.е. разложения растворён- ной в воде двуокиси углерода с выделением кислорода. Интенсивность фотосинтеза зави- сит от содержания растворённого СО2, температуры воды и освещения. Поэтому фотосин- тез происходит главным образом вблизи поверхности, т.е. в наиболее освещаемых и про- греваемых слоях. Присутствие кислорода в воде является необходимым условием для су- ществования большинства организмов, в том числе и рыб. Основными источниками появления в воде СО2 являются биологические и биохими- ческие процессы. СО2 выделяется в воду при дыхании водных организмов и особенно ин- тенсивно при окислении органических веществ. Поступление СО2 из атмосферы невелико. В водохранилищах непрерывно протекают процессы, направленные на изменение концентрации растворённых веществ, к которым относятся: физические – изменения объёма водной массы и её солесодержания, газообмена между водной массой и атмосферой, перемешивание воды, изменения температуры воды, образование и таяние льда; химические – ионные реакции изменения в равновесных системах, приводящие к выпадению в осадок солей или к растворению минералов, пород и грунтов; физико-химические – обмен ионов воды с ионами илов и взвешенных в воде частиц, коагуляция частиц коллоидов; биологические – процессы дыхания живых организмов, извлечение солей для по- строения раковин, скелетов и пр.; биохимические – процессы созидания (фотосинтез) и распада (минерализация) орга- нического вещества. Основой для систематизации в существующих гидрохимических классификациях вод водоёмов являются: величина минерализации, преобладающая химическая компо- нента или группа компонентов, соотношение между величинами концентраций различ- ных ионов, наличие повышенных количеств каких-либо специфических компонентов газового или солевого состава. Широко известны гидрохимические классификации воды на основе характеристик солевого состава водоёма. Среди них можно выделить Международную классифика- цию вод по степени минерализации (солёности) [43]. Достаточно распространённой яв- ляется и классификация вод по величине минерализации, т.е. по сумме ионов, найден- ных в воде при проведении гидрохимического анализа [37]. В таблице приводится пол- ная информация по данным классификациям. Таблица 6 – Гидрофимические классификации водоёмов по степени и величине минерализации вод [22] Классификация и степень (величина) минерализации вод, г/кг Источник Пресные Галино- Галино- Олиго- Олиго- галинные – β галинные – α галинные – β галинные – α ˂ 0,1 0,11-0,50 0,51-0,75 0,76-1,00 Солоноватые [37] Мезогалинные – β Мезогалинные – α Полигалинные 1,01-5,00 5,01-18,00 18,01-30,00 Солёные Эругалинные Ультрагалинные 30,01-40,00 ˃ 40,01 Пресные, ˂ 1,0 Солоноватые, 1,0-25,0 [44] С морской солью, 25,0-50,0 Рассолы, ˃ 50,0 34

Существует классификация пресноводных водоёмов по сумме ионов: ультрапрес- ные (<100 мг/л), мало минерализованные (100-200 мг/л), средне минерализованные (200-500 мг/л), с повышенной минерализацией (500-1000 мг/л). Предложены классифи- кации на основе деления вод по нескольким главным ионам и по преобладающим кати- онам и анионам. Разработана классификационная схема по сочетанию шести главных ионов, присутствующих в воде. Хрестоматийной стала гидрохимическая классификация водоёмов по О.А. Апеки- ну [3], в основе которой находится принцип деления вод по количественному соотно- шению между преобладающими катионами и анионами. Сначала по преобладающему аниону воды делятся на 3 класса: гидрокарбонатная и карбонатная, сульфатная, хло- ридная. В свою очередь каждый класс вод делится по преобладающему катиону на 3 группы: кальциевую, натриевую и магниевую, а каждая группа делится на 4 типа вод, определённых соотношением между ними. Существуют и другие классификации вод по степени минерализации, разработанные целым рядом отечественных и зарубежных исследователей. Например, классификации узко специального назначения для водоёмов морского происхождения основаны на суще- ствующих в природе сочетаниях солевых компонентов (ионов) и закономерных изменени- ях этих сочетаний в естественных условиях. Классификации по качеству воды. Термин «качество воды» употребляется в контек- сте определённого аспекта её использования, поэтому не существует универсального и общепринятого подхода к качеству воды. Для каждой формы водопользования (хозяй- ственно-питьевое, коммунально-бытовое и рыбохозяйственное) применяются свои стан- дарты. Как правило, эти стандарты формируются в виде критических уровней определён- ного свойства воды, которые не должны быть превышены. Поэтому вода, которая счита- ется непригодной для питьевых целей, вполне может использоваться для орошения, купа- ния, занятия спортом и нужд промышленности. Нормативы качества водных объектов устанавливаются в форме предельно допу- стимых концентраций вредных веществ (ПДК). ПДК – концентрация вещества в воде, при превышении которой воды становятся не- пригодными для одного или нескольких видов применения. Величина ПДК – это экспе- риментально установленное и официально утверждённое максимально допустимое посто- янное содержание конкретного вещества в водах водного объекта. Водоём считается за- грязнённым, если показатели качества воды изменились в результате антропогенного воз- действия и она стала непригодной, хотя бы для одного из видов водопользования или во- допотребления. Степень предельно допустимого загрязнения воды определяется предель- но допустимой нагрузкой, которая зависит от вида использования водоёма. В России нормирование качества воды водоёмов осуществляется в зависимости от видов водопользования: хозяйственно-питьевое водопользование – использование водных объектов или их участков в качестве источника хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также для водо- снабжения предприятий пищевой промышленности; коммунально-бытовое водопользование – использование водных объектов для купа- ния, занятия спортом и отдыха населения; рыбохозяйственное использование:  высшая категория – места расположения нерестилищ, массового нагула и зимо- вальных ям особо ценных видов рыб и других промысловых водных организмов;  используемые для сохранения и воспроизводства ценных видов рыб, обладающих высокой чувствительностью к содержанию кислорода;  используемые для других рыбохозяйственных целей. Применение в отечественной практике критерия ПДК и проведение расчётов на ос- нове суммарного индекса загрязнения позволяет оценить ингредиентное (внесённое) за- 35

грязнение водоёмов и соответствие их видам водопотребления, что можно рассматривать как направление классификации по качеству. Однако качество вод по ПДК не учитывает разный трофический статус водных экосистем и сезонные особенности природных факто- ров, на фоне которых проявляется токсичность загрязняющих веществ. Качество вод можно оценит и с помощью интегральных оценок (индексов качества воды) [20]. Индексы – это формализованные показатели загрязнённости воды, обобщаю- щие более широкие группы показателей и с высокой степенью объективности учитываю- щие различные стороны оцениваемого водоёма. Индексы – это величины, являющиеся мерой состояния и изменения главных физических, химических и биологических компо- нентов окружающей среды. Как показано Г.Т. Фруминым [41] для представления качества воды в виде единой оценки показатели необходимо выбирать независимо от лимитирующего признака вред- ности, а при равенстве концентраций предпочтение отдавать веществам, имеющим выс- ший токсикологический признак вредности. Качество вод можно определить по стандарт- ным гидрометеорологическим измерениям с помощью индекса загрязнения вод (ИЗВ), который рассчитывается по нескольким загрязняющим веществам, концентрация которых наибольшая. Индекс загрязнённости вод J рассчитывается по шести показателям: 1 C J = 6 ∑6 ПДК , i=1 i (1.4) i где Ci – концентрация i-го загрязняющего вещества и его ПДКi. Классификация вод по степени загрязнения, оценённой по индексу загрязнения во- ды, приведена ниже в таблице. Таблица 7 – Классы качества воды в зависимости от величины ИЗВ Характеристика и класс качества воды Величина ИЗВ I – очень чистая ˂ 0,2 II – чистая ˃ 0,2-1 III – умеренно загрязнённая ˃ 1-2 IV – загрязнённая ˃ 2-4 V – грязная ˃ 4-6 VI – очень грязная ˃ 6-10 VII – чрезвычайно грязная ˃ 10 Рассмотренные классификации качества воды с позиции пригодности для использо- вания и экологического благополучия в настоящее время широко применяются. В первом случае вводятся желательные и допустимые величины показателей каче- ства воды, используемой для различных целей: хозяйственно-питьевое, коммунально- бытовое и рыбохозяйственное. Предусмотрены три степени качества вод: вода пригодна, вода допустима при соответствующих методах обработки и вода непригодна. При всех недостатках метод имеет явное преимущество – возможность оперативной оценки состоя- ния воды в водоёмах; административно (юридически) закреплённая норма определения степени ответственности за состояние воды и введение ограничений на её потребление. Во втором случае на основе ИЗВ вводятся классы качества воды. Показатели каче- ства воды объединяются в однородные группы: общефизические показатели и показатели неорганических веществ, общие показатели органических веществ, показатели неоргани- ческих промышленных загрязняющих веществ, показатели органических промышленных загрязняющих веществ, биологические показатели. Недостатком метода является исполь- зование математической свёртки при определении индекса загрязнённости воды, что обычно снижает чувствительность методов. 36

Гидробиологическая классификация. Существуют два направления, в рамках кото- рых разрабатываются гидробиологические классификации. Первое направление учитыва- ет характеристику водоёмов по преобладающему распространению в них определённых водных организмов, второе – основано на показателях продукционных свойств водных объектов (трофности). Оценка уровня биологической продуктивности, как главной функциональной харак- теристики водоёмов, лежит в основе трофической типизации их экосистем. Трофический тип водоёма – это интегральная и многомерная характеристика, определяемая множе- ством взаимосвязанных процессов физической, химической и биологической природы. Уровень биологической продуктивности водоёма всегда связывается с вполне определён- ными характеристиками того или иного трофического типа, а также характером водосбо- ра, особенностями гидрографической сети, притоком тепла и другими компонентами, объединёнными в единую систему как внутри водоёма, так и в системе «водосбор - водо- ём». Эта оценка определяет и положение водоёма в эволюционном ряду, и характер структурно-функциональной организации экосистемы, т.е. специфику взаимосвязей сла- гающих её компонентов и их количественную оценку. В современной лимнологии используется довольно большое число классификацион- ных схем, которые построены на основе показателей, относящихся к различным компо- нентам водных экосистем. Истоки классификаций относятся к 20-30 годам прошлого века и связаны с именами выдающихся учёных – Тинеман и Наумов, которые разделили водо- ёмы на олиготрофные, мезотрофные, эвтрофные и дистрофные. Подчёркивая комплекс- ность характеристики трофического типа водоёмов, они убедительно показали, что уро- вень биологической продуктивности (трофия) тесно связана с абиотическими факторами среды, географическим положением водоёма и характером водосбора. В работе Хендерсона-Селлерса и Маркланда [39] показано, что разделение водоёмов на олиготрофные, эвтрофные и мезотрофные является субъективным и относительным, так как разные специалисты по-разному классифицируют водоёмы. Опыт исследования учёных разных стран показал, что могут быть приняты следую- щие критерии эвтрофирования водоёмов: увеличение концентрации биогенных веществ; последовательная смена популяции водорослей с преобладанием сине-зелёных или зелёных водорослей; уменьшение концентрации растворённого кислорода в гиполимпионе; увеличение содержания взвешенных частиц, особенно органического вещества; уменьшение проникновения света при увеличении мутности воды; увеличение концентрации фосфора в донных отложениях. Приведём пример градации трофического состояния, предложенной в работе Хен- дерсона-Селлерса и Маркланда [39]. Таблица 8 – Категории трофического состояния озёр Концентрация Глубина Среднее по- хлорофилла, видимости Трофическое ступление среднее диска Секки, состояние фосфора, 3 значение, среднее зна- мг/м 3 мг/м , чение, м Ультраолиготрофное ≤ 4,0 ≤ 1,0 ˃ 12,0 Олиготрофное ≤ 10,0 ≤ 2,5 ˃ 6,0 Мезотрофное 10-35 2,5-8,0 3-6 Эвтрофное 35-100 8-25 1,5-3 Гипертрофное ˃ 100 ≥ 25 ˂ 1,5 37

З. Классификация водохранилищ по конфигурации. Можно также провести клас- сификацию водохранилищ по конфигурации, поскольку их форма разнообразна и варьи- рует от узких вытянутых до расширенных, которые по форме приближаются к неправиль- ным эллипсам, многоугольникам, лопастным разветвлённым фигурам. Плотина Братской ГЭС была построена в 1961 году, заполнение водохранилища закон- чилось в 1967 году. Площадь водной поверх- ности колеблется от 5426 до 5470 км², а объ- ём достигает 169 км3. Полезный объём водо- хранилища составляет 35,41 км3, средняя глубина – 31 м, максимальная глубина – 101 м, изменение уровня при сработке от НПУ – 7,08 м. Береговая линия длиной около 7400 км сильно изрезана, в месте впадения круп- ных рек (Ангара, Ока, Ии и др.) образовались длинные заливы. Ширина водохранилища превышает 20 км. Очертания (в плане) водохранилищ не являются постоянными, их форма и многие морфометрические показатели (ширина, длина, глубина) непрерывно, а зачастую и резко изменяются в зависимости от колебаний уровня воды. Поэтому морфология и морфомет- рия водохранилищ, наблюдаемых при НПУ, далеко не всегда типична для большей части года. 1.2. Водохранилища мира и России История строительства водохранилищ. Древнейшие плотины строились с целью образования ирригационных водохранилищ. Ирригация (орошение) – подвод воды на по- ля, испытывающие недостаток влаги, и увеличение её запасов в корнеобитаемом слое почвы в целях увеличения плодородия. В 1885 году немецкие археологи обнаружили в Египте (200 миль южнее Каира) пло- тину Садд-эль-Кафара, первое упоминание о которой имеется у Геродота. Норман Смит, автор книги «История плотин» считает, что Садд-эль-Кафара – древнейшая из известных плотин. Её строительство одни историки относят к III или IV династии Древнего Египте (между 2725 и 2506 годами до н.э.), другие – к 3200 годам до н.э. Времена III или IV дина- стий отличались относительным спокойствием и развитием широкой строительной дея- тельности в стране. Плотина Садд-эль-Кафара представляла собой две параллельных сте- ны из каменной кладки, пазуха между которыми была заполнена каменной наброской. Длина плотины по гребню – 110 м, максимальная высота – 12 м, создаваемый объём во- дохранилища – свыше 2 млн. м3. По современной классификации – малый тип водохрани- лищ. В Месопотамии (историко-географический регион на Ближнем Востоке, располо- женный в долине двух великих рек Тигр и Евфрат) строительство плотин началось в брон- зовом веке, одновременно с Египтом, а возможно и раньше. Первая крупная плотина из каменной кладки Нахр-эль-Аси, строительство которой датируется 1500 годом до н.э., бы- ла обнаружена на территории нынешней Сирии. В древнем Китае строительство каналов и плотин приобрело широчайший размах. Масштабы возведённых ирригационных сооружений поражают воображение даже при современном развитии строительной техники. Так, около 250 года до н.э. в Китае, в пу- стынной территории Сычуань, водами реки Миньцзян (приток реки Янцзы) было орошено 50 тыс. км2 земель. Монголы, завоевав Китай, не только не разрушили, но и поддержали 38

гидротехническое строительство. При хане Хубилае была осуществлена вековая мечта ки- тайцев о соединении каналом бассейнов рек Хуанхэ и Янцзы. Канал между Пекином и Ханьчжоу имел длину более 1000 км и был построен в 1289-1293 годах. На стройке рабо- тало более 20 тыс. рабочих. Очевидцем, описавшим завершающую часть строительства канала, был знаменитый итальянский купец и путешественник Марко Поло [15.09.1264 - 08.01.1324], представивший историю своего путешествия по Азии в знаменитой «Книге о разнообразии мира». В доколумбовой Америке значительные гидротехнические сооружения строились ацтеками, майя и инками. Так, ацтеки построили дамбу длиной 16 км, которая разделила озеро Тескоко (бывшее бессточное озеро в Мексике, расположенное на высоте 2239 м) и образовала водохранилище Мехико. Испанские конкистадоры варварски разрушили большинство древних гидротехнических сооружений, но подобные сооружения, созда- вавшиеся испанцами, по сложности и размерам значительно уступали прежним. Многие древние цивилизации развивались в аридных областях, где орошение земель было жизненной необходимостью и являлось важным фактором создания и развития пер- вых государств. Создание водохранилищ относилось обычно к крупнейшим строитель- ным мероприятиям того времени. Границы территории России до XVII века географически находились в умеренной климатической зоне, поэтому необходимость проведения масштабных гидротехнических работ в основном была обусловлена потребностями развития промышленности и транс- порта. Первые водохранилища были созданы в период 1701-1709 годов при строительстве Вышневолоцкой водной системы – водный путь в России, в районе города Вышнего Во- лочка, наиболее старая искусственная водная система в России, связавшая реку Тверцу, приток Волги, с Балтийским морем. В 1704 году на среднем Урале было построено Алапаевское водо- хранилище для обеспечения водой и механической энергией завода, в 1721 году – водохранилище Сест- рорецкий Разлив, созданное во времена Петра I путём запруды ре- ки Сестры и реки Чёрной. В это же время проходило строительство обводного Ладожского канала – главной водной артерии строящегося Санкт-Петербурга. Много водохранилищ было построено в эпоху промышленной революции в XVIII - XIX веков. Большую роль в этом сыграла возросшая потребность в механической энергии для прядильно-ткацких, металлообрабатывающих, лесопильных и горнорудных предприя- тий. Такие водохранилища в большом количестве появились в Западной Европе, Австро- Венгрии и России (Карелия, Центральный район, Урал). Следующий этап создания водо- хранилищ начался на рубеже XIX и XX веков в связи с развитием гидроэнергетики. Гидроэлектростанции (ГЭС) в качестве источника энергии используют энергию вод- ного потока и обычно строятся на реках посредством сооружения плотин и водохрани- лищ. Для эффективного производства электроэнергии на ГЭС необходимы два основных фактора: гарантированная обеспеченность водой круглый год и возможно большие укло- ны реки. Наибольшего размаха строительство ГЭС достигло в Швейцарии, Австрии, Франции, Германии, Италии, Швеции, Норвегии, США и Японии. При этом всё больше водохранилищ создавалось для ирригации, борьбы с наводнениями, особенно в США, Индии и некоторых европейских странах. До конца XIX века и в начале XX века создава- лись преимущественно набольшие водохранилища. Несмотря на тысячелетнюю историю строительства водохранилища с полным осно- ванием можно назвать порождением XX века. Полный объём всех водохранилищ плане- 39

ты, существовавших к концу XIX века, составлял всего около 15 км3. Теперь же только одно Братское водохранилище на реке Ангаре имеет объём 169 км3, что на порядок пре- вышает объём всех водохранилищ планеты, существовавших на рубеже двух веков. Современный этап создания водохранилищ начался после Великой Отечественной войны. Именно в этот период были созданы самые крупные водохранилища, пик создания которых в большинстве регионов мира пришёлся на 1960-е годы, а затем начался посте- пенный спад. Водохранилища мира. Распределение водохранилищ на земном шаре определяют цели их создания. Интенсивное строительство водохранилищ ведётся в регионах, разви- тых в хозяйственном отношении, с высокой плотностью населения (выработка электро- энергии, водный транспорт, борьба с наводнениями) и в регионах с явно выраженным де- фицитом водных ресурсов (промышленное и коммунальное водоснабжение, ирригация). Водохранилища представляют собой водоёмы с объёмами чаши более 1 млн. м3, что отличает их от прудов по типу мелких водохранилищ. По некоторым данным сейчас в ми- ре построено более 60 тыс. водохранилищ, при ежегодном пополнении до 500 новых. Их полный объём превышает 6,6 тыс. км3, а полезный – 3 тыс. км3; площадь водного зеркала – более 400 тыс. км2, а с учетом подпруженных озёр – 600 тыс. км2. Для сравнения пло- щадь Чёрного моря составляет 442 тыс. км2. Территориальное распределение водохрани- лищ по регионам весьма неравномерно, на что влияют факторы: антропогенный – уровень развития энергетики, ирригации, промышленного и коммунального водообеспечения, транспорта, необходимость борьбы с наводнениями и др.; географический – рельеф, гео- логическое строение, гидрологический режим и др. При оценке общего числа водохранилищ на земле обычно рассматривают две груп- пы типов водохранилищ: крупнейшие, очень крупные, крупные и средние – объём свыше 100 млн. м3; небольшие и малые – объём от 1 до 100 млн. м3. Классификация водохрани- лищ представлена согласно нормативному документу [19]. В большинстве источников анализируют- ся только водохранилища первой группы с объёмом более 100 млн. м3. В мире их насчитывается более 3 тысяч, а полный объ- ём составляет около 6300 км3. По водохра- нилищам данной группы имеются достаточ- но полные и надёжные данные, которые публикуются членами Международной ко- миссии по большим плотинам (ICOLD) в Мировом регистре плотин и в виде сведений, представленных в технических, географиче- ских, биологических и других журналах, книгах, справочниках и атласах. В водохра- нилищах данной группы сосредоточено бо- лее 96% суммарного объёма воды [26]. Таблица 9 – Распределение водохранилищ полным объёмом более 100 млн. м3 по гео- графическим регионам и ведущим странам Территориальное распределение водохранилищ с объёмом более 100 млн. м3 харак- теризуется тем, что более 40% водохранилищ группы сосредоточено в умеренном поясе Северного полушария, где находится большинство экономически развитых стран. При этом их удельный вес в фонде водохранилищ зависит от географии регионов и изменяется в пределах от 2% до 28%. 40

Наименьшие значения удельного веса характерны для государств, территории кото- рых расположены на островах и полуостровах: Япония – 2%, Великобритания – 4% и др. Их ландшафты характеризуются наличием малых рек и экономически выгодным развити- ем небольших водохранилищ. Для материковых стран с мощными водотоками и большой территорией характерны наибольшие значения удельного веса: Китай – 28%, Канада – 26%, Бразилия – 22%, США – 17% и др. Остальные материковые страны, которые не об- ладающие достаточным геопотенциалом, занимают промежуточное положение: Германия – 7%, Франция – 8% и др. Россия занимает в этом ряду особое положение и характеризу- ется значением удельного веса 9% [1]. Особо принято выделять крупнейшие и очень крупные водохранилища с площадью поверхности более 500 км2. От общего числа водохранилищ мира они составляют не бо- лее 0,1%, но по суммарному объему занимают внеконкурентное первое место. Такие во- дохранилища построены во всех регионах мира, кроме Австралии и Антарктиды. Следу- ет отметить, что авторами исследований обычно не учитываются гигантские озёра- водохранилища (например, Байкал, Онежское, Виктория, Виннипег, Онтарио и др.), об- разованные путем повышения уровня с помощью плотин, построенных вблизи истоков вытекающих из них рек. Этот факт можно отнести к «серой зоне» классификации, также как отношение Каспийского и Аральского морей к озёрам. Крупнейшими по площади водной поверхности водохранилищами мира являются водохранилища, в названиях некоторых из которых фигурирует термин «озеро»: Озеро Вольта (8482 км2, Гана), Смолвуд (6527 км2, Канада), Куйбышевское водохранилище (6450 км2, Россия), Озеро Кариба (5580 км2, Замбия, Зимбабве), Бухтаримское водохрани- лище (5490 км2, Казахстан), Братское водохранилище (5426 км2, Россия), Озеро Насер (5248 км2, Египет, Судан), Рыбинское водохранилище (4580 км2, Россия). Озеро Вольта – крупнейшее по площади водохрани- лище в мире. Создано на реке Вольта в Гане, Западная Африка. Образовалось после возведения плотины Ако- сомбо, в ущелье Акосомбо, на реке Вольта (Гидроэлек- трический проект Акосомбо, ГэП Акосомбо). Мощность ГЭС – до 1020 МВт. Основная цель – обеспечить электро- энергией алюминиевое производство. Заполнено в 1961- 1966 годах. В результате затоплено 3,6% территории Га- ны, выселено 78 тыс. человек. Характеристики: объём полный – 148 км3, объём полез- ный – 90,0 км3, площадь полная – 8480 км2, высота плоти- ны – 111 м, напор – 70 м, длина плотины 660 м, средняя глубина – 18 м, максимальная глубина – 80 м. Смолвуд – водохранилище, расположенное в западной части Лабрадора, Канада. Создано в 1960-е годы на реке Черчилл путём строительства плотины возле водопада Черчилл, которая содержит не одну дамбу, а серию из 88 деривационных плотин, общая длина которых 64 км. Уро- вень воды был поднят на 8,3 метра. Несколько сотен озёр, включая крупные озера Мишикамо и Лобстик, стали ча- стью огромного водохранилища. После завершения ввода 11 агрегатов в 1971 году ГЭС Черчилл имеет мощность 5428 МВт. Машинный зал ГЭС подземный, выполнен в скальной выработке на глубине 310 м. Характеристики: объём – 28 км3, площадь полная – 6988 км2, напор – 312,4 м. 41

Куйбышевское водохранилище – расположено в Евро- пейской части России, среднее течение реки Волги. Самое крупное водохранилище на Волге, заполнено в 1955-1957 годах после завершения строительства плотины Жигулёв- ской ГЭС, перегородившей долину Волги в Жигулях у го- рода Ставрополь (ныне Тольятти). Основное назначение водохранилища – выработка электроэнергии, улучшение судоходства, водоснабжение, ирригация. Мощность ГЭС – 2351,5 МВт. Характеристики: объём полный – 57,3 км3, объём по- лезный – 34,6 км3, площадь полная – 6450 км2, высота плотины – 52 м, напор – 22,5 м, длина плотины 3780 м, средняя глубина – 9,3 м, максимальная глубина – 41 м. Озеро Кариба – водохранилище, расположенное в южной части африканского континента и образованное после постройки в 1957-1959 году на реке Замбези Кариба (Кабора) ГЭС. Заполнено в 1963 году. Мощность Кариба- ГЭС – 1320 МВт; обеспечивает электроэнергией большую часть Замбии и Зимбабве. Во многом из-за водохранили- ща среднее течение реки Замбези не достигает своего обычного уровня. Песчаные острова стали зарастать. Характеристики: объём полный – 180 км3, объём по- лезный – 46,0 км3, площадь полная – 5580 км2, высота плотины – 126 м, напор – 100 м, длина плотины 579 м, средняя глубина – 29 м, максимальная глубина – 97 м. Бухтарминское водохранилище – образовано плотиной Бухтарминской ГЭС на реке Иртыш, ниже устья реки Бухтарма, вблизи города Серебрянска, Казахстан. Входит в Иртышский каскад ГЭС. Мощность ГЭС – 675 МВт. За- полнение водохранилища началось в 1960 году, с 1966 года осуществляет многолетнее регулирование стока. Во- дохранилище состоит из 2 участков: речного – по долине реки Иртыш, и озера Зайсан, которое поднялось на 5-6 м, а площадь увеличилась в 3 раза. Характеристики: объём полный – 49,6 км3, площадь полная – 5490 км2, высота плотины – 87 м, напор – 67 м, длина плотины – 430 м, средняя глубина – 9,6 м, макси- мальная глубина – 97 м. Братское водохранилище – водоём в Иркутской обла- сти России, образовано на реке Ангаре в результате стро- ительства Братской ГЭС. Водохранилище многолетнего регулирования. Широко используется для судоходства, рыболовства, сплава леса и водоснабжения. Плотина бы- ла построена в 1961 году, заполнено в 1967 году. Мощ- ность ГЭС – 4900 МВт. Является ступень Ангарского каскада ГЭС. Береговая линия сильно изрезана, при впа- дении Ангары, Оки и Ии образовались длинные заливы. Характеристики: объём полный – 169,3 км3, объём по- лезный – 35,41 км3, площадь полная – 5470 км2, высота плотины – 124,5 м, напор – 106 м, длина плотины 5140 м, средняя глубина – 31 м, максимальная глубина – 101 м. 42

Озеро Насер (Асуанское водохранилище) – водохрани- лище на реке Нил, большей частью располагающееся в Египте и частью в Судане. Образовалось в результате строительства Асуанской плотины, построенной в 1960 году, заполнено в 1970 году. Создано для ирригации, ис- пользования гидроэнергетического потенциала реки Нил, сглаживания гидрологического режима и обеспечения ре- жима судоходства. Мощность ГЭС – 2100 МВт. Характеристики: объём полный – 157 км3, объём полез- ный – 74,0 км3, площадь полная – 5120 км2, высота плоти- ны – 111 м, напор – 95 м, длина плотины 3600 м, средняя глубина – 30 м, максимальная глубина – 130 м. Рыбинское водохранилище – сооружено на реке Волге и её притоках Шексне и Мологе. Начало строительства – 1935 год, заполнялось с 1941 по 1947 год. Входит в Волж- ско-Камский каскад. Особенностью Рыбинской ГЭС явля- ется размещение её сооружений в двух отдельных ство- рах: на Волге находятся водосбросная плотина и судоход- ные шлюзы, на Шексне (вблизи её впадения в Волгу) – здание ГЭС. Мощность ГЭС – 356 МВт. Характеристики: объём полный – 25,4 км3, объём по- лезный – 16,7 км3, площадь полная – 4580 км2, высота плотины – 35 м, напор – 18 м, длина плотины 7029 м, средняя глубина – 5,6 м, максимальная глубина – 25-30 м. Осенью 1940 года русло Волги перекрыли, 13 апреля 1941 года началось заполнение чаши водохранилища. Для завершения работы пришлось переселить на новые места 130000 человек – жителей 663 селений и города Мологи; затоплено три четверти террито- рии Весьегонска, Леушинский монастырь и Юргская пустошь. Заполнение продолжалось до 1947 года. После наполнения чаши Рыбинского водохранилища ушла под воду и была изъята из хозяйственного оборота восьмая часть ярославской земли, в том числе 80 тыс. га лучших в Поволжье пойменных заливных лугов, травы которых по своему качеству не уступали травам с альпийских лугов, более 70 тыс. га веками возделываемой пашни, более 30 тыс. га высокопродуктивных пастбищ, было затоплено 3645 км² лесов. Крупнейшими водохранилища по полному объёму накапливаемой воды в мире яв- ляются: Озеро Кариба (180 км³; Зимбабве, Замбия), Братское водохранилище (169,3 км³; Россия), Озеро Насер (157,0 км³; Египет, Судан), Озеро Вольта (148,0 км³; Гана), Мани- куаган (141,9 км³; Канада), Гури (138,0 км³; Венесуэла), Красноярское водохранилище (73,3 км³; Россия), Зейское водохранилище (68,4 км³; Россия). Маникуагана – кольцевое водохранилище, располо- женное на Лаврентийской возвышенности в центральной части провинции Квебек, Канада. Находится в метеорит- ном кратере с одноимённым названием. В центре нахо- дится остров Рене-Левассёр, на котором расположена гора Вавилон (952 м). Озеро вместе с островом хорошо видны из космоса, из-за чего также имеют название «глаз Квебека». Создано в 1968-1974 годах в целях гидроэнер- гетики после строительства плотин по проекту Маник- Утард на реках Маникуагана и Ривьер-оз-Утард. Самая крупная Маник-5. Характеристики: объём полный – 141,9 км3, площадь полная – 1942 км2. 43

Кратер Маникуаган, оставшийся после падения астероида, имеет для Канады двой- ное значение: памятник природы и составная часть крупного гидроэнергетического ком- плекса. Астероид был очень крупным, по оценкам учёных до 5 км в диаметре, а кратер в поперечнике составлял изначально около 100 км, но постепенно, в результате переме- щения ледниковых масс, осадочных пород и эрозии сократился до 71 км. Сегодня он выглядит как почти правильный круг с вытянутым по периметру кольце- образным озером, окружающим остров. Геологический возраст расплавленных горных пород кратера был установлен сравнительно недавно и составляет около 214 млн. лет. На картах Канады 1960-х годов на месте нынешнего водохранилища Маникуаган располага- лись два кратерных озера – Мушапаган на западе и Маникуаган на востоке, визуально вы- глядящие как подкова с непротяженным разделением на севере по суше. То есть водохра- нилище Маникуаган вмещает в себя ныне и озеро Мушалаган. На языке специалистов- гидрологов оба эти озера называются «подпорными» для водохранилища. В 1958 году начались работы по соединению этих водоёмов в единую кольцевую структуру и строи- тельству каскада ГЭС с плотинами на реке Маникуаган. Первым делом между озерами был прорыт соединительный ров, так и образовалось то самое кольцо. Каскад электростанций сооружался с 1968 по 1974 год и включал в себя: ГЭС Мак- Кормик – 350 МВт, ГЭС Manic 1 – 184 МВт; ГЭС Manic 2 – 1024 МВт; ГЭС Manic 3 – 1244 МВт; ГЭС и плотина Даниэл-Джонсон электростанции Manic 5 – 1528 МВт; ГЭС Manic 5 Р.А. – 1064 МВт. Каскад эксплуатируется по принципу аккумулятора и регулято- ра выработки электроэнергии с максимумами: зимой – потребности провинции Квебек, летом – потребности региона Новая Англия (США), куда компания «Гидро-Квебек», по- строившая и эксплуатирующая ГЭС, продаёт недостающие там киловатты. Среди пяти здешних ГЭС есть поистине выдающееся сооружение – ГЭС Маникуа- ган-5 (Маник 5). Её плотина Даниел-Джонсон из нескольких арок подаёт усилия турбинам в основании контрфорсов, поддерживающих арки. Использованное инженерное решение не только экономично, но и элегантно с архитектурной точки зрения и прекрасно гармо- нирует с окружающим ландшафтом. Плотина Даниел-Джонсон была возведена в 1959- 1970 годах в ходе строительства гидроэлектростанции: высота – 214 м, длина – 1314 м. В тело плотины было уложено 2,2 млн. м3 бетона. Свое второе название – Даниэл-Джонсон – плотина получила в честь премьер-министра Квебека Даниэла Джонсона - старшего, умершего в 1968 году, в канун введения в строй водохранилища. Американскими и канадскими учеными на основе моде- лирования была высказана гипотеза, согласно которой удар астероида, вызвавший образование кратера Маникуаган, был эпизодом множественного ударного события, оставившего также кратеры Рошшуар во Франции, Сен-Мартен в Мани- тобе (провинция Канады), Оболонь на Украине и Ред-Винг в Северной Дакоте (США). По составленной модели получа- ется, что эти кратеры представляют собой цепочку, образо- ванную при встрече с нашей планетой разбившегося на ча- сти ядра кометы, и эта цепочка весьма напоминает цепочку кратеров на Юпитере, возникшую при его столкновении с кометой Шумейкера-Леви в 1994 году. Стратиграфический возраст упомянутых земных кратеров совпадает. Однако сама «цепочка» не столь явно выражена, как на Юпитере. 44

Водохранилище Гури – образовалось в результате со- оружения на реке Карони третьей по мощности в мире ГЭС им. Симона Боливара (первая очередь 1963-1978 год), штат Боливар в Венесуэле. Мощность ГЭС – 10235 МВт. Водохранилищ используют для водоснабжения, ме- лиорации, энергетики и борьбы с наводнениями. В Венесуэле общее число водохранилищ достигло 70; из них 16 – объёмом более 100 млн. м3 и 4 – объёмом бо- лее 1 км3 (Вуэльгоса – 5,6 км3, Гуарико – 1,8 км3, Камата- гуа – 1,2 км3, Агуа-Вива – 1,7 км3). Характеристики водохранилища Гури: объём полный – 138 км3, площадь полная – 4250 км2, высота плотины – 162 м, длина плотины 1300 м. Красноярское водохранилище – искусственный водоём, созданный на Енисее в 20-ти км от Красноярска при стро- ительстве Красноярской ГЭС. Заполнение водохранилища происходило в 1967-1970 годы. Мощность ГЭС – 6000 МВт. В зону затопления площадью 175,9 тыс. га попало 132 населённых пункта, в том числе три райцентра (Даурск, Новосёлово, Краснотуранск), подлежало пересе- лению 60 тыс. человек, а также перебазированию – десят- ки предприятий. Характеристики: объём полный – 73,3 км3, объём по- лезный – 30,4 км3, площадь полная – 2000 км2, высота плотины – 124 м, напор – 100 м, длина плотины 1065 м, средняя глубина – 37 м, максимальная глубина – 105 м. Зейское водохранилище – расположено на реке Зея в Амурской области, Россия. Образовано плотиной Зейской ГЭС и заполнялось в 1974-1980 годах. Мощность ГЭС – 1330 МВт. Водохранилище используется для судоходства и рыболовства, имеет большое противопаводковое значе- ние. Многолетнее регулирование стока колеблется в пре- делах 26 м. При создании было затоплено 3,9 тыс. га сельхозугодий и 14 населённых пунктов, в которых про- живало 4460 человек. Характеристики: объём полный – 68,4 км3, объём по- лезный – 38,1 км3, площадь полная – 2420 км2, высота плотины – 116 м, напор – 98 м, длина плотины 714 м, средняя глубина – 38 м, максимальная глубина – 97 м. Для некоторых водных бассейнов характерны паводки – фаза водного режима реки, которая может многократно повторяться в различные сезоны года, характеризуется интен- сивным и обычно кратковременным увеличением расходов и уровней воды, вызывается дождями или снеготаянием во время оттепелей. Периодически паводки не повторяются, что отличает их от половодья. Так, в июле 2013 года над Приамурьем сформировалась стационарная высотная фронтальная зона, вдоль которой в течение двух месяцев один за другим перемещались глубокие, насыщенные тропической влагой циклоны, сопровож- давшиеся сильными ливневыми дождями. В результате в Амурской области и Еврейской автономной области с июля по август выпало осадков больше годовой нормы. В итоге од- новременно активизировались все паводочные области водного бассейна реки Амур: верхний Амур, Зея, Бурея, Уссури и Сунгари. Максимально снизить ущерб от паводка позволили Зейское, Бурейскок и шесть водохранилищ на реке Сунгари в Китае. 45

Крупнейшие водохранилища-озёра. Среди крупных озёр мира, уровень которых поднят плотинами, – озёра Виктория в Африке, Байкал в России, Виннипег и Онтарио в Северной Америке. Значительны по площади и объёму многие другие озёра- водохранилища, среди которых следует выделить: Онежское, Имандровское, Кумское, Шекснинское, Сегозерское, Волховское в России; Сайменское, Инари, Венерн в Европе; Рейни-Лейк, Лесное, Окичоби, Даниел-Джонсон, Рейндир в Северной Америке; Гордон в Австралии. Озеро Виктория – находится в Восточной Африке на территории Танзании, Кении и Уганды. На реке Виктория Нил (название части реки Белый Нил от озера Виктория до озера Мобуту-Сесе-Секо) в 2,5 км ниже истока из озера Виктория находился водопад Оуэн с длиной порожистого участка 50 км, где была возведена в 1954 году плотина ГЭС Оуэн-Фолс. Впадающая река Ка- гера. В результате уровень воды в чаше озера Виктория поднялся на 3 метра. Характеристики: объём– 205 км3, площадь озера – 68000 км2, высота над уровнем моря – 1134 м; высота плотины – 31 м, длина плотины 831 м; средняя глубина – 40 м, максимальная глубина – 80 м. Плотина ГЭС Оуэн-Фолс обеспечивает электроэнергией Уганду и часть соседней Кении. До постройки плотины уровень воды в озере Виктория контролировался есте- ственным скальным выступом в северной части озера. В случае подъёма уровня вода пе- ретекала через гребень и попадала в Белый Нил, если же уровень воды был слишком низ- ким, то река пересыхала. После строительства плотины было заключено специальное со- глашение между Угандой и Египтом, гарантировавшее, что естественное течение Нила не будет изменено. Мощность ГЭС Оуэн-Фолс составляет 180 МВт. Изначально было смонтировано 10 турбин, мощностью по 15 Мвт каждая. В 1993 году было положено начало проекту рас- ширения ГЭС Оуэн-Фолс, предполагавшему строительство второй электростанции в ки- лометре ниже по течению от первой ГЭС. Основные работы по строительству плотины были закончены к 1999 году, первые две турбины были запущены в 2000 году. Каждая турбина имеет мощность по 40 МВт. Во время официальной церемонии открытия в 2003 году сооружение получило название ГЭС Киира. Иркутское водохранилище – образованно Иркутской ГЭС на реке Ангаре, включает в себя озеро Байкал, уро- вень которого был поднят на 1,46 м, и таким образом яв- ляется глубочайшим водохранилищем в мире. Территори- ально расположено в Иркутской области и Республике Бурятия, Россия. Строительство Иркутской ГЭС началось в 1950 году, закончено в 1958 году. Мощность ГЭС – 662,5 МВт. Характеристики: объём полный – 47,6 км3, объём по- лезный – 31,6 км3; площадь полная – 32290 км2, в том числе подпруженного озера – 31500 км2; высота плотины – 45 м, напор – 26 м, длина плотины 2740 м; средняя глу- бина – 744,4 м, максимальная глубина – 1642 м. Полезный объём речной и озёрной части составляет 0,07 км³ и 31,5 км³ соответ- ственно. Речная часть водохранилища используется для суточного регулирования стока, озерная часть составляет 99% от общего объёма и позволяет обеспечивать глубокое мно- 46

голетнее и годичное регулирование стока и равномерность работы не только Иркутской ГЭС, но и всего каскада Ангарских электростанций. До строительства Иркутской ГЭС и заполнения Иркутского водохранилища уровен- ный режим реки Ангары в районе её истока был достаточно необычным и определялся не количеством осадков или таянием снега в бассейне реки, а значением температуры возду- ха в области русла. В верхнем течении реки приток из глубоководных слоев озера Байкал сохраняет высокую температуру воды на протяжении всей зимы, что находило отражение в позднем её замерзании около Иркутска. Как правило, ледостав наступал в январе. Боль- шое падение реки и низкие температуры воздуха зимой приводили к интенсивному обра- зованию шуги, которая заполняла русло и была причиной подъёма воды. Высокий уро- вень Ангары сохранялся каждую зиму, а с весны по осень был гораздо более низким. Сильные морозы в январе перед ледоставом могли стать причиной катастрофических наводнений, которые имели место при наступлении сорокаградусных морозов и приводи- ли к значительным подтоплениям Иркутска. Строительство Иркутской ГЭС было закончено в 1958 году. Первоначальное запол- нение водохранилища осуществлялось в течение семи лет. Несмотря на то, что ГЭС явля- ется низконапорной русловой станцией, в зоне затопления и подтопления Иркутского во- дохранилища оказалось 138,6 тыс. га, в том числе 32,3 тыс. га земель сельхозназначения, более 200 населенных пунктов, участок шоссейной дороги Иркутск - Листвянка и часть Кругобайкальской железной дороги (участок Иркутск - Михалёво - Подорвиха - Байкал). Из зоны затопления было переселено 3,3 тыс. дворов и 17 тыс. человек. Классическим примером водохранилища-озера является Северное (Малое) Араль- ское море, создание которого в начале тысячелетия позволило избежать экологической катастрофы в регионе Средней Азии. Если обратится к истории Арала, то море уже высыхало не раз, при этом снова возвращалось в прежние берега. В историческую эпоху происходили су- щественные колебания его уровня. Так, на отступившем дне были обна- ружены остатки деревьев, росших ранее на этом месте. В середине кайнозойской эры (21 млн. лет назад) Арал был со- единён с Каспием. До 1573 года Амуда- рья по рукаву Узбой впадала в Каспий- ское море, а река Тургай – в Арал. На карте, составленной греческим ученым Клавдием Птолемеем (1800 лет назад), показаны Аральское и Каспийское моря; в Каспий впадают реки Зарафшан и Амударья. В конце XVI и начале XVII веков из-за понижения уровня моря образовались острова Бар- сакельмес, Каскакулан, Козжетпес, Уялы, Бийиктау и Возрождения. Реки Жанадарья с 1819 года, Куандарья с 1823 года перестали впадать в Арал. С начала систематических наблюдений (XIX век) и до середины XX века уровень Арала практически не менялся. В 1950-х годах Аральское море было четвёртым по площади озером мира, занимая около 68 тыс. км2, его длина составляла 426 км, ширина – 284 км, наибольшая глубина – 68 м. В тридцатые годы прошлого столетия началось масштабное строительство ороси- тельных каналов в Средней Азии. С 1960-х годов море стало мелеть из-за того, что вода рек, впадавших в него, во всё возрастающих объёмах отводилась на орошение. С 1960 по 1990 год площадь орошаемых земель в Средней Азии увеличилась с 4,5 млн. до 7 млн. га, а уровень воды понижался с возрастающей скоростью от 20 до 80-90 см/год. В 1989 году море распалось на два изолированных водоёма – Северное (Малое) и Южное (Большое) Аральское море. В 2003 году площадь поверхности Аральского моря 47

составила около четверти от первоначальной, а объём воды – около 10 %, абсолютный уровень воды снизился до отметки 31 м. Отступившее море оставило после себя 54 тыс. км2 сухого, покрытого солью морского дна, а в некоторых местах отложениями из пести- цидов и различных других сельскохозяйственных ядохимикатов, смытых когда-то стока- ми с местных полей. В настоящее время сильные бури разносят соль, пыль и ядохимикаты на расстояние до 500 км. Печальную судьбу Арала начинают повторять другие крупные водоёмы мира, в первую очередь – озеро Чад в Центральной Африке и озеро Солтон-Си на юге американского штата Калифорния. Например, в результате бурного развития ороше- ния с 1960-х годов озеро Чад в Африке уменьшилось до 1/10 своих прежних размеров. В 1987 году Аральское море распалось на два изолированных водоёма – Северное (Малое) и Южное (Большое) Аральское море. Малое Аральское море – солёное озеро на территории Кызылординской об- ласти Казахстана, северная часть высыха- ющего Аральского моря, получающая воду из реки Сырдарьи. Вода по оставшемуся узкому руслу утекала из Малого Арала в Большой Арал. Построить дамбу, перекры- вающую утечку воды по этому руслу, пы- тались два раза. Первая песчаная плотина была построена в 1992 году, которая весной 1993 года из- за весеннего повышения уровня воды была разрушена. Через пять лет, весной 1997 года была закончена вторая песчаная плотина с водосбросом, которая в 1998 году была усиле- на железобетонными плитами и в 1999 году была разрушена штормом. В 2001 году прави- тельство Казахстана обратилось во Всемирный банк с просьбой о займе на строительство полноценной Кокаральской дамбы. Сейчас спасение Малого Арала осуществляется в рамках уникального крупномас- штабного проекта «Регулирование русла реки Сырдарьи и сохранение северной части Аральского моря», который предусматривает строительство и реконструкцию ряда регу- лирующих гидротехнических сооружений и узлов, в том числе на реке Сырдарье. Главная задача проекта – сохранить северную часть Аральского моря, что, несомненно, имеет ми- ровой резонанс, поскольку увеличение объёма моря влечёт за собой не только рост сель- скохозяйственного и рыбного производства бассейна реки Сырдарьи, но и улучшение экологических условий в регионе в целом. Главным сооружением проекта, законченным в ноябре 2005 года, стала гораздо бо- лее мощная земляная дамба длиной 13 км, включающая бетонную плотину с гидротехни- ческим затвором для регулирования пропуска воды. Большой объём стока реки Сырдарьи последующей зимой положил начало восстановлению Малого Арала. С 2004 года к ок- тябрю 2010 года объём водоёма увеличился на 11,5 млн. м3 и достиг 27,1 км3, вода покры- ла 879 км2 осушённого морского дна. В результате реализации проекта снизилась вдвое общая минерализация воды, уменьшилась повторяемость пыльных бурь и соляных выно- сов из Аралкума (пустыня на территории бывшего Аральского моря) на прилегающие районы, восстановлена популяции рыб (лещ, сазан, аральский осётр) из рыбопитомника, тогда так в солёной воде обитала только камбала Глосса. Добыча рыбы увеличилась с 400 килограммов (в начале 1990-х годов) до 11 тысяч тонн. Создание Кокаральской дамбы на Малом Аральском море является ярким примером антропогенного воздействия на котловину озера и превращение его в водохранилище- озеро с целью изменения морфологии и уменьшения катастрофического сокращения Аральского моря, что исключительно важно для улучшения экологии и социально- экономического развития в Кызылординской области Казахстана. 48

Водохранилища России. На территории России сооружено и эксплуатируется более 2650 водохранилищ ёмкостью более 1 млн. м3 [11]. Их суммарный полезный объём пре- вышает 342 км3, причем более 90% полезного объёма приходится на водохранилища, имеющие ёмкость свыше 10 млн. м3. Общее число водохранилищ России объёмом более 100 млн. м3 составляет 21%, объёмом более 10 млн. м3 – 56% и объёмом 1-10 млн. м3 – 44% [32]. Часть водохранилищ России входят в число крупнейших водохранилищ мира, среди них есть и водохранилища-озёра. Например, Иркутское и Верхне-Свирское. Таблица 10 – Водохранилища России, входящие в число крупнейших водохранилищ мира Объём, Площадь Площадь Наименование Размеры, м Глубина, м Водоток, км3 зеркала подпру- водохранилища, длина / Наибольшая / водоём, полный / по НПУ, женного год наполнения ширина средняя регион полезный км2 озера, км2 Братское, 169 570 150 р. Ангара, 5470 – 1967 35,4 25 31 Иркутская обл. Красноярское, 73,3 388 105 р. Енисей, Крас- 2000 – 1967 30,4 15 37 ноярский край Зейское, 68,4 227 97 р. Зея, 2419 – 1980 32,1 24 38 Амурская обл. Усть-Илимское, 59,4 302 100 р. Ангара, 1833 – 1977 2,8 12 31 Иркутская обл. Куйбышевское, 58 500 41 р. Волга, 6450 – 1957 34,6 40 8 Самарская обл. р. Ангара, Иркутское, 47,6 636/55 1642/35 32970 31500 оз. Байкал, 1959 31,6 80/7 744,4 Иркутская обл. Вилюйское, 40,4 470 70 р. Вилюй, 2360 – 1967 22,4 18 17 Якутия р. Волга, Волго- Волгоградское, 32,1 540 25 3117 – градская и Са- 1961 8,3 17 10,1 ратовская обл. Саяно- р. Енисей, 31,3 312 220 Шушенское, 621 – Красноярский 15,3 9 36 1987 край р. Волга, Рыбинское, 25,4 184 30 Ярославская, 4580 – 1947 16,7 56 5,6 Вологодская и Тверская обл. р. Свирь, Верхне- 13,8 246/90 127/18 оз. Онежское, Свирское, 9930 9700 12,7 91/ 0,8 17 Ленинградская 1951 обл. р. Волга, Саратовская, Саратовское, 12,9 341 28 1831 – Самарская и 1968 1,8 12 8 Ульяновская обл. Камское, 12,2 350 30 р. Кама, 1915 – Пермский край 1954 9,2 14 7,3 Географически водохранилища определяются водоразделами – границами между смежными водосборами, представляющими собой условную топографическую линию на земной поверхности, разделяющую водосборы двух или нескольких рек, озёр, морей и океанов, направляя сток атмосферных осадков по двум противоположным склонам. Мест- ность вокруг линии водораздела называется водораздельной территорией. В гористых об- ластях водоразделы обычно проходят по гребням гор, на равнинах – по холмистым высо- там или даже низменностям. На равнинах водораздел обычно выражен в рельефе нечётко и превращается в плоское водораздельное пространство или водораздельную территорию, на которой направление стока может быть переменным. Водосбор (водосборный бассейн, водосборная площадь) – часть земной поверхно- сти, толща почв и горных пород, откуда вода поступает к водному объекту; включает по- верхностный и подземный водосборы, которые в общем случае географически не совпа- 49

дают. Определить границу подземного водосбора практически очень сложно, поэтому за неё обычно принимается граница поверхностного водосбора. Часть суши, с которой реки несут воды в океаны и соединённые с ними моря, назы- вается областью внешнего стока, а часть суши, с которой вода поступает в замкнутые во- доёмы, не имеющие связи с океаном – областью внутреннего стока. По площади область внешнего стока занимает 78% материков, а область внутреннего стока – 22%, что пред- ставлено на карте водосборных бассейнов Мирового океана. Рисунок 6 – Карта водосборных бассейнов Мирового океана Различают главные и второстепенные водоразделы. Главный водораздел делит сушу на две покатости: первая – со стоком рек в Атлантический и Северный Ледовитый океаны (60%); вторая – со стоком рек в Тихий и Индийский океаны (40%). Второстепенные водо- разделы – это водоразделы бассейнов Тихого, Атлантического, Индийского, Северного Ледовитого и Южного океанов, а также областей с внутренним стоком или бессточных областей. Главный водораздел земного шара проходит по Южной и Северной Америке, Азии и Африке; тянется от мыса Горн по Андам, Скалистым горам до Берингова пролива, по восточному нагорью Азии, пересекает его в широтном направлении, а затем продолжается вдоль восточной окраины Африки к её южной оконечности. В Европе второстепенный водораздел рек, принадлежащих к бассейну Северного Ледовитого океана, проходит от юго-западного побережья Норвегии по Скандинавскому нагорью, возвышенности Манселькя, между озерами Сегозеро и Онежским, Белым и Ку- бенским, далее по Северным Увалам, Уральскому хребту, хребту Пай-Хой. Водораздел бассейнов рек Атлантического океана проходит от юго-западного побе- режья Норвегии до озер Сегозеро и Онежского, совпадает с водоразделом бассейнов рек Северного Ледовитого океана. Далее линия водораздела проходит между озерами Онеж- ским и Белым, по Валдайской, Среднерусской и Приволжской возвышенностям, Ергеням и Главному Кавказскому хребту. Водораздел Северного Ледовитого океана в Азии проходит от северной оконечности суши в проливе Маточкин Шар, по хребтам Пай-Хой и Уральскому, междуречью рек То- 50

бола, Тургая, Ишима, Казахскому мелкосопочнику, хребтам Тарбагатай, Монгольскому Алтаю, Танну-Ола, Хангай, Хэнтей и далее совпадает с водоразделом Тихого океана. В Азии водораздел бассейнов рек, впадающих в Тихий океан, проходит от мыса Дежнева по хребтам Чукотскому, Колымскому, Джугджур, Становому, Яблоновому, Хэнтэй, по возвышенностям северной части пустыни Гоби и далее по хребтам Большой Хинган, Иныпань, Наныиань, Кукушили, Тангла, Хэндуаныпань, Билау (п-ов Малакка). Реки России принадлежат к бассейнам Северного Ледовитого, Тихого и Атлантиче- ского океанов. Кроме того, часть рек впадает во внутренние, не связанные с Мировым океаном, моря и озера. Водосборные бассейны крупнейших рек России представлены на рисунке. Рисунок 7 – Водосборные бассейны крупнейших рек России К бассейну Северного Ледовитого океана, его окраинным морям Баренцеву, Белому, Карскому, Лаптевых, Восточно-Сибирскому и Чукотскому, относится более половины территории России (65%). Основную, центральную часть этого бассейна занимают глав- нейшие водные артерии страны – Обь, Енисей и Лена. Между ними расположены бассей- ны рек Таз, Пура, Пясина, Хатанга и др. К западной части бассейна Северного Ледовитого океана относятся бассейны рек Печора, Северная Двина и Онега, к восточной – Яна, Ин- дигирка, Колыма и других рек. К бассейну Тихого океана относится около 19 % территории России. Речной сток поступает в окраинные моря Тихого океана – Берингово, Охотское и Японское. В север- ной части бассейна протекают реки Анадырь и Камчатка, в южной – Амур. Реки средней части бассейна Тихого океана представляют собой короткие водотоки с небольшими площадями бассейнов. К бассейну Атлантического океана относится около 5% площади России, сюда вхо- дит речная сеть, принадлежащая бассейнам Балтийского, Черного и Азовского морей. Наиболее крупными реками бассейна Балтийского моря являются Нева, Нарва, Западная Двина, Неман; бассейна Черного моря – Днепр; бассейна Азовского моря – Дон, Кубань. Площадь Каспийской бессточной области составляет 11% территории России. К ней относятся такие крупные реки, как Волга, Урал, Терек и др. 51

Водораздел между бассейнами Северного Ледовитого и Тихого океанов проходит по Чукотскому хребту, Анадырскому плоскогорью, горным хребтам Колымскому, Джу- гджур, Становому и Яблонову. Водораздел бессточного Каспийского бассейна образуют: Саяны, Алтай, а Атлантического океана – Урал, Северные Увалы и возвышенность Ман- селькя. Водораздел между бассейном Атлантического океана и Каспийским бассейном проходит по Валдайской, Среднерусской, Приволжской и Ставропольской возвышенно- стям и Главному Кавказскому хребту. Реки европейской территории России отличается высокой степенью зарегулирован- ности стока, а водопотребители и водопользователи испытывают дефицит водных ресур- сов в отдельные периоды и годы. Так, например, сток реки Волги зарегулирован на 40%, Дона – на 50%, Урала – на 68%. В целом на реках европейской части России суммарный полезный объём зарегулированного стока достигает 161 км3, в том числе на реках север- ного склона водораздела – 35 км3, южного – 126 км3. Регулирование стока рек северного бассейна осуществляется в основном для целей энергетики, водного транспорта и лесосплава. Более 90% зарегулированного стока прихо- дится на Мурманскую область (14,5 км3) и Республику Карелию (17,5 км3). Самые круп- ные водохранилища расположены здесь на средних и малых реках бассейнов Белого и Ба- ренцева морей: Кумское на Топозере – полезная емкость 8,63 км3, Выгозерско-Ондское на реке Нижнем Выге – 1,1 км3, Сегозерское на Сегозере – 4 км3, Верхне-Туломское на реке Туломе – 3,86 км3. В Северо-Западном регионе, основными водными источниками которого являются реки и озёра бассейна Невы, регулирование стока осуществляют 32 водохранилища с суммарным полезным объемом 1,1 км3. Самое крупное водохранилище многолетнего ре- гулирования – Верхне-Свирское, расположено на реке Свирь и Онежском озере, средний многолетний уровень которого в результате подпора повысился на 0,5 метра; использует- ся для целей гидроэнергетики, водоснабжения, рыбного хозяйства и судоходства. Более 60% объёма зарегулированного стока рек волжского и камского бассейнов связано с Волжско-Камским каскадом, гид- ротехнические сооружения которого исполь- зуются в целях энергетики, промышленного и коммунального водоснабжения, водного транспорта, ирригации, рыбного хозяйства и рекреации. На Волге и Каме построено 11 гидроэлектростанций. Суммарная установ- ленная мощность каскада 11409 МВт. Всего в бассейне Волги насчитывается около 800 водохранилищ с суммарным полезным объ- ёмом около 101 км3 и площадью зеркала 30,4 тыс. км2, аккумулирующих почти 70% сред- негодового стока волжского бассейна. Рисунок 8 – Волжско-Камский каскад Из восьми крупных гидроузлов с водохранилищами на Волге четыре (Иваньковское, Угличское, Рыбинское и Горьковское) образуют непрерывный каскад на Верхней Волге, пятое – Верхневолжское водохранилище, находящееся в верховьях реки, изолировано от каскада. Верхневолжское водохранилище образовалось в верховьях Волги в 1845 году после постройки Верхневолжского бейшлота. Бейшлот – механизм регулирования стока воды через плотину с подъёмными заслонками. Слово пришло к нам из голландского языка вместе с голландскими гидростроителями во времена Петра I. В настоящее время водо- хранилище располагается на северо-западе Тверской области. В зоне подпора водохрани- 52

лища находится система Верхневолжских озёр (Стерж, Вселуг, Пено, Волго). Общая пло- щадь поверхности при НПУ около 183 км², объем 0,466 км³, длина водохранилища со- ставляет 85 км, наибольшая ширина – 6 км. Иваньковское водохранилище (Московское море) – первое водохранилище в верх- нем течении реки Волги, на территории Тверской и Московской областей. Используется как водоём-охладитель Конаковской ГРЭС, для грузового судоходства в Москву, Тверь и по волжскому пути. Образовано в 1937 году. Ширина – 2-5 км, длина – около 120 км. Площадь зеркала воды при максимальном её уровне на Иваньковском плёсе – 141 км², на Волжском – 74 км², на Шошинском – 112 км². Угличское водохранилище создано в 1939 году с постройкой Угличской ГЭС в Угличе на Волге, расположено в пределах Ярослав- ской и Тверской областей: площадь – 249 км², объём – 1,24 км³, средняя глубина – 5 м, ши- рина – до 5 км. Уровень колеблется в преде- лах 7 м. Угличское водохранилище руслового типа, вытянуто на 146 км, осуществляет се- зонное регулирование стока. Водохранилище используется для энергетики, судоходства, рыболовства. Рыбинское водохранилище – большое водохранилище на реке Волге и её притоках Шексне и Мологе. Расположено в Ярославской, Тверской и Вологодской областях. Обра- зовано в начале 1940-х годов водоподпорными сооружениями Рыбинского гидроузла, расположенного в северной части Рыбинска, перекрывающими русла Волги и Шексны. Гидроузел включает в себя: здание Рыбинской ГЭС мощностью 356 МВт, сооружённой на старом русле Шексны, земляные русловые плотины и сопрягающие их дамбы, бетонную водосливную плотину и двухниточный шлюз, сооруженный на русле Волги. Значение во- дохранилища: судоходство, рыболовство, выработка электроэнергии. Около 17 тыс. лет назад на месте Рыбинского водохранилища было ледниковое озеро. Постепенно оно об- мелело, возникла обширная Молого-Шекснинская низменность. Горьковское водохранилище образовано плотиной Нижегородской ГЭС общей дли- ной 18,6 км, которая считается самой протяжённой среди плотин гидроузлов России. Наполнено до НПУ в 1957 году. Водохранилище расположено в Ярославской, Костром- ской, Ивановской и Нижегородской областях. Площадь – 1590 км², объём – 8,71 км³, сред- няя глубина – 3,65 м, максимальная глубина – 22 м, длина – 427 км, ширина – до 16 км. Судоходна правая сторона водохранилища. Является важным инфраструктурным объек- том комплексного назначения, решающим, помимо выработки электроэнергии, задачи водного и автомобильного транспорта, водоснабжения и рекреации. Последним в каскаде волжских водохрани- лищ, вслед за Чебоксарским, Куйбышевским и Саратовским, является Волгоградское водо- хранилище, которое образовано плотиной Волжской ГЭС на территории Волгоградской и Саратовской областей. Заполнение водохрани- лища происходило в течение 1958 - 1961 годов. Площадь – 3117 км2, объём – 31,5 км³, длина – 540 км, наибольшая ширина – 17 км, средняя глубина 10,1 м. Осуществляет сезонное регу- лирование стока, колебания уровня до 3 м. Гидрологический режим Волгоградского водохранилища определяется работой Волжской ГЭС и хозяйственными попусками воды. В 1980-х годах было развернуто стро- 53

ительство канала «Волго-Дон 2», который бы напрямую соединял Волгоградское водо- хранилище с рекой Дон. Существующий Волго-Донский канал начинается южнее города Волгограда, ниже по течению от Волжской ГЭС. Проект был законсервирован в 1990 го- ду. Волгоградское водохранилище – очень важный рекреационный ресурс, место туризма и отдыха. В плотине Волжской ГЭС эксплуатируется один из крупнейших в России рыбо- подъёмников. Куйбышевский, Саратовский и Волгоградский гидроузлы рассчитаны на пропуск ве- сеннего половодья в нормальных условиях эксплуатации и проверены на пропуск ката- строфического половодья. Водохранилища Волжско-Камского каскада активно использу- ется для срезки естественных максимальных расходов. Среди водохранилищ главного притока Волги – реки Камы, следует выделить Вот- кинское и Нижнекамское водохранилища. Воткинское водохранилище располагается на территории Пермского края и Удмуртской Рес- публики, образовано плотиной Воткинской ГЭС. Заполнено в 1964 году. Площадь водохранилища составляет 1120 км², объём – 9,4 км³, длина – 365 км, ширина – до 9 км, глубина – до 28 метров. После заполнения образовались широкие плёсы глубиной 20-25 м, судовой ход был спрямлён и расширен, что позволило организовать двухсто- роннее движение судов и сократило путь между Пермью и нижней Камой. Нижнекамское водохранилище обеспечивает суточное и недельное перераспреде- ления притока к гидроузлу в интересах энергетики. Приточные расходы круглогодично пропускаются транзитом в нижний бьеф. Полный объём водохранилища для НПУ отмет- ки 62,0 м в Балтийской системе (БС) составляет 2,9 км3, (проектная отметка НПУ 68,0 м БС). В настоящее время уровень водохранилища находится на отметке НПУ 63,3 м. Наибольшую часть стока боковой приточности между Воткинским и Нижнекамским гид- роузлами составляет сток реки Белой – 26,1 км3. Для Южного и Северо-Кавказского регионов России, где остро ощущается дефицит водных ресурсов, регулирование стока рек Дон, Кубань, Терек и Сулак имеет важнейшее значение. В них (регионах) насчитывается около 408 водохранилищ, в основном сезонно- го или суточного регулирования, суммарной полезной ёмкостью 19,2 км3. Зарегулирован- ный сток используется главным образом для орошения сельскохозяйственных угодий и рыборазведения. Наибольшее развитие регулирование стока получило в Ростовской обла- сти, Ставропольском и Краснодарском краях. Цимлянское водохранилище является един- ственным крупным водохранилищем в бассейне Дона, регулирующим сток реки в многолетнем режиме; расположено в Волгоградской и Ростов- ской областях и образовано созданием плотины у города Цимлянска в 1953 году. После создания водохранилища годовой сток Дона уменьшился с 29 км3 до 18 км3. Подпор от Цимлянской плоти- ны распространяется вверх по течению на 360 км, примерно до устья реки Иловни. Полный объём водохранилища равен 23,85 км³, полезный объём – 11,5 км³; площадь зеркала – 2700 км²; наибольшая ширина – 38 км, наибольшая глубина – 30 м. Чаша водо- хранилища образована котловиной с тремя расширениями, приуроченными к устьям рек 54

Чир, Аксай Курмоярский и Цимла. В водохранилище впадает более 10 рек. Cредний мно- голетний расход в створе плотины 650 м³/с, попуск в Нижний Дон составляет 400-450 м³/с. Доля стока весеннего половодья (3-5 месяцев) составляет от 70 до 90%, сток летне- осенней и зимней межени колеблется от 10 до 30%. Период летне-осенней и зимней ме- жени отличаются более или менее равномерной водностью: доля летне-осенней межени около 13% от годового стока. Кумо-Манычская впадина (по названиям рек Кума и Маныч) – узкая низменность, разделяющая Ергенинскую и Ставропольскую возвышенности, является древним проли- вом, соединявшим в геологическом прошлом Чёрное и Каспийское моря. В настоящее время соединяет Кубано-Приазовскую и Прикаспийскую низменности. Ширина 20-30 км (в центральной части до 1-2 км), длина более 500 км. Кумо-Манычская впадина является границей между Азией и Европой. В 20 веке гидросистема Кумо- Манычской впадины была преоб- разована человеком: создан каскад водохранилищ на Западном Ма- ныче (Пролетарское, Веселовское и Усть-Манычское) и Чограйское водохранилище на Восточном Маныче. Для обеспечения полно- водности и опреснения в Маныч по нескольким магистральным каналам перебрасывается вода из рек Дон и Кубань. В долинах рек, где образовывались водохрани- лища, были затоплены как не- большие, так и крупные озёра. Водохранилища Усть-Манычское, Веселовское, Пролетарское и Чограйское имеют общую площадь 1282 км2. При этом затоплено 81 озеро общей площадью 428 км2, в числе которых озеро Маныч-Гудило площадью 344 км2. Манычский каскад предназначен для целей судоходства, энергетики, рыболовства и орошения земель. Кроме местного стока реки Маныч в объёме около 0,5 км3 в год подается кубанская (по руслу реки Б. Егорлыка) и донская (по Донскому магистральному каналу) вода. В бассейне реки Кубань находится Краснодарское водохранилище, на долю которого приходится более 80% (2,2 км3) суммарного полезного объёма водохранилищ, располо- женных в Краснодарском крае и Республике Адыгея. Основное назначение водохранили- ща – обеспечить орошение более 200 тыс. га сельскохозяйственных земель, защитить от наводнений около 600 тыс. га сельхозугодий в низовьях Кубани, обеспечить рыбонересто- вые и транспортные попуски в устьевые участки рек Кубань и Протока. Площадь водо- хранилища составляет около – 420 км², объём – от 2,0 км³ до 3,1 км³ (регулируется, уро- вень воды изменяется на 8 м), длина – 40 км, ширина – до 15 км. В Ставропольском крае эксплуатируется свыше 100 водохранилищ с суммарной по- лезной емкостью 2,15 км3. Многие водохранилища наливные, расположены на каналах пе- рераспределения стока. Это, например, Сенгилеевское водохранилище (0,26 км3), работа- ющее на кубанской воде, поступающей по Невинномысскому каналу; Кубанское водохра- нилище (0,5 км3), расположенное на Большом Ставропольском канале, перераспределяю- щем кубанскую воду в безводные районы бассейна Каспийского моря. Полный объем Сенгилеевского водохранилища в конце 2012 года составил 782,3 млн. м3, при плане 780,58 млн. м3; Кубанского – 403,43 млн. м3, при плане – 382,34 млн. м3. Остальные водо- хранилища более мелкие. Основное назначение водохранилищ края – ирригация, наиболее крупные используются также для целей водоснабжения, рыборазведения и энергетики. 55

Чограйское водохранилище (площадь – 200 км2, полный объём – 720 млн. м3) рас- положено на границе Республики Калмыкия и Ставропольского края в долине реки Во- сточный Маныч; предназначено для аккумулирования воды с целью обеспечения Черно- земельской оросительной системы, обводнения 113 тыс. га пастбищ, питьевого водоснаб- жения шести сельских районов и столицы Калмыкии города Элисты, а также рыборазве- дения. Водохранилище наполняется частично местным стоком с водосборной площади Восточного Маныча, а также водой Терека и Кумы, подаваемой по Терско-Манычскому водному тракту. В бассейне реки Урал находится Ириклинское водохранилище, являющееся крупнейшим на Юж- ном Урале. Водохранилище было создано в 1966 году путём строительства плотины Ириклинской ГЭС; осуществляет многолетнее регулирование стока и используется для целей водоснабжения, ирригации и рыбного хозяйства. Площадь водной поверхности 260 км2, объём – 3,257 км3, длина – 70 км, ширина – до 8 км, наибольшая глубина 34 м и средняя глубина – 12,7 м. Значительная доля зарегулированного стока приходится на реки азиатской части России – 180,9 км3, или 53% от суммарного полезного объёма всех водохранилищ страны. Основной объём зарегулированного стока рек приходится на крупные водохрани- лища энергетического назначения, расположенные в бассейнах рек Обь, Енисей, Лена и Амур. Большинство из них осуществляют многолетнее, сезонное и суточное регулирова- ние. В Западной Сибири размещается 121 водохранилище с суммарной полезной ёмко- стью 6,1 км3. В основном это небольшие водохранилища, предназначенные для сельского хозяйства, водоснабжения и энергетики. В регионе только одно крупное водохранилище комплексного назначения – Новосибирское, созданное в верхнем течении реки Обь. Новосибирское водохранилище (Обское море) на реке Обь возникло после завершения строи- тельства плотины Новосибирской ГЭС в 1959 го- ду; находится на территории Новосибирской об- ласти и Алтайского края. Площадь – 1082 км², объём – 8,8 км³, длина – около 200 км, наиболь- шие ширина – 22 км и глубина – 25 м. Использу- ется в интересах гидроэнергетики, водоснабжения и рыболовства. Место активного отдыха и еже- годного проведения соревнований по парусному спорту на Кубок России и Кубок Обского моря. В регионе имеются потенциальные водные ресурсы, потребность в дополнительном регулировании стока для удовлетворения нужд хозяйства и населения велика. Особенно это касается южных и центральных районов – Омская, Томская и Новосибирская области, юг Тюменской области, север Алтайского края, куда входит и бессточная зона междуре- чья Обь-Иртыш, крайне нуждающаяся в дополнительных водных ресурсах. Более 60% стока, зарегулированного в азиатской части страны, приходится на Во- сточную Сибирь – 114,9 км3, из них 114,8 км3 – на Красноярский край и Иркутскую об- ласть. Всего в регионе 68 водохранилищ, расположенных в основном в бассейне Енисея. На территории Красноярского края размещается 38 водохранилищ с суммарной по- лезной ёмкостью 63,3 км3, из них три очень крупных – Саяно-Шушенское, Красноярское и Усть-Хантайское. Все три водохранилища комплексного назначения и используются для целей энергетики, судоходства, орошения и водоснабжения. 56

Усть-Хантайское (Хантайское) водохрани- лище образовано плотиной Усть-Хатайской ГЭС на реке Хантайка в 1975 году. Полезный объём составляет 13,43 км³, что позволяет обеспечивать многолетнее и годичное регу- лирование стока и равномерность работы гидроэлектростанции. Территориально распо- лагается в Таймырском Долгано-Ненецком районе Красноярского края. Водохранилище начинается в 62 км от устья реки Хантайка, рядом с посёлком Снежногорск. После завершения наполнения размеры водохранилища с севера на юг составили около 160 км, с востока на запад – 60 км, площадь – 2230 км². Средний приток воды при- мерно 17,9 км³ в год. При расчётном НПУ высота водохранилища над уровнем моря со- ставляет 60 м, при сезонном регулировании опускается до 52 м. Саяно-Шушенская (6400 МВт), Майнская (321 МВт) и Красноярская (6000 МВт) гидроэлектростанции в верхнем течении реки Енисей образуют Енисейский каскад ГЭС: суммарная мощностью 12,7 ГВт, среднегодовая выработкой 45,6 млрд. кВт×ч – 4,5% элек- троэнергии всей страны. ГЭС играют важную роль в обеспечении устойчивости энергоси- стемы Красноярского края и близлежащих регионов. Основным потребителем вырабаты- ваемой электроэнергии являются предприятия компании «Русал». Также значительная часть электроэнергии поступает в энергосистему Сибири. Все водохранилища, располо- женные на Енисее, комплексного назначения и используются для целей энергетики, судо- ходства, орошения и водоснабжения. Ангарский каскад ГЭС – крупнейший ком- плекс гидроэлектростанций в России, распо- ложен на реке Ангаре в Иркутской области и Красноярском крае. Основная часть строи- тельства была осуществлена в советский пе- риод, возведение каскада связывалось с раз- витием промышленности и освоением значи- тельного природного потенциала Сибири. Комплекс ГЭС на реке Ангаре обладает сум- марной мощностью 9 ГВт и обеспечивает вы- работку 4,8% электроэнергии в России. После полного завершения ввода в эксплуатацию Богучарской ГЭС суммарная мощность до- стигнет 12 ГВт. С учетом проектируемых и строящихся гидроэлектростанций, каскад состоит из се- ми ступеней: первая ступень – Иркутская ГЭС, мощность 662,4 МВт; вторая ступень – Братская ГЭС, мощность 4515 МВт; третья ступень – Усть-Илимская ГЭС, мощность 3840 МВт; четвёртая ступень – ввод в эксплуатацию Богучарской ГЭС, мощность 3000 МВт; пятая ступень – проектируемая Нижнебогучанская ГЭС, мощность 660 МВт; шестая ступень – проектируемая Мотыгинская ГЭС, мощностью 1145 МВт; седьмая ступень – проектируемая Стрелковская ГЭС, мощность 920 МВт. Водохранилища Ангаро-Енисейского каскада после аварии на Саяно-Шушенской ГЭС находятся под особым контролем со стороны Росводресурсов. Все три водохрани- лища, расположенные на Енисее, – Саяно-Шушенское, Красноярское и Усть-Хантайское – комплексного назначения и используются для целей энергетики, судоходства, орошения и 57

водоснабжения. Водохранилища Ангарского каскада ГЭС суммарно аккумулируют по объёму полтора среднегодового стока реки Ангары. Основная доля зарегулированного стока приходится на Братское (полезный объем 48,2 км3) и Усть-Илимское (2,7 км3) водо- хранилища. Остальные 4 водохранилища используются для энергетики или сельского хо- зяйства. Иркутское водохранилище регулирует сток озера Байкала. На Дальнем Востоке общий полезный объём за- регулированного стока (79 водохранилищ) состав- ляет 57,1 км3. Самой высокой зарегулированно- стью отличается Амурская область. Здесь эксплуа- тируется 19 водохранилищ с суммарной полезной емкостью 32,2 км3. Наиболее крупным является Зейское водохранилище (32,1 км3), которое ис- пользуется для целей энергетики, регулирования стока и судоходства. Другие водохранилища име- ют емкость до 10 млн. м3, их назначение – водо- снабжение, орошение и рыборазведение. В Магаданской области общий объём зарегулированного стока составляет 6,6 км3. Единственное крупное водохранилище предназначено для нужд энергетики – Колымское водохранилище, полезная ёмкость 6,5 км3. Остальные 9 водохранилищ имеют ёмкость ме- нее 10 млн. м3 и используются для целей водоснабжения. На Лене самое крупное водохранилище Вилюйское, суммарный полезный объём 17,82 км3, имеет комплексное назначение. Остальные водохранилища используются для целей водоснабжения и орошения. 2. Речной сток в балансе водохранилища Водные объекты с древнейших времён оказывали огромное влияние на развитие че- ловеческого общества. В одних случаях, когда природные воды наносили тяжелые разру- шения или вызывали бедствия, это влияние было тормозящим, в других – водные объекты благоприятствовали развитию ирригации, торговых отношений и т.п. Постепенно приспо- сабливаясь к существующим водным условиям, человечество стало активнее воздейство- вать на режим природных вод, начали сооружаться гидротехнические объекты: запруды, пруды и водоёмы для целей сельского хозяйства, водоснабжения, орошения, лесосплава, помола зерна, водопоя скота и т.д. Следы такого строительства обнаружены археологами, например, в районах ранних цивилизаций Египта, Месопотамии, Китая и Мексики. В настоящее время, как и ранее, основным источником для удовлетворения потреб- ностей населения и хозяйственной деятельности в воде служат поверхностные водные ре- сурсы в виде стока рек, наиболее полному и рациональному использованию которого пре- пятствуют значительные сезонные и многолетние колебания водности. Базировать обес- печение водой различных отраслей хозяйства на естественном резко изменчивом стоке можно лишь в очень ограниченных пределах, поэтому регулирование стока рек является основным техническим приёмом, позволяющим не только использовать водные ресурсы или приспособить их к планируемой отдаче, но и бороться с наводнениями. Регулирование речного стока – это искусственное перераспределение естественного, как правило, неравномерного по времени стока в соответствии с требованиями водополь- зования; осуществляется с помощью водохранилищ – искусственно созданных водоёмов, как правило, с естественными ложами и берегами, для накопления и последующего ис- пользования запасов воды в целях регулирования стока. Наибольшее распространение по- лучили водохранилища, образованные плотинами, перегораживающими долины рек. 58

2.1. Регулирование речного стока Поверхностный сток. Важнейшей особенностью географической оболочки Земли является глобальный гидрологический цикл, главным энергетическим источником кото- рого служит солнечная радиация. Благодаря солнечной энергии вода может менять своё агрегатное состояние, переноситься в атмосфере в виде различного рода метеорологиче- ских образований, перемещаться водотоками по поверхности суши в виде грунтовых вод и течений океанов и морей. Силы гравитации вносят физическую определённость в процессы переноса (переме- щения) воды на Земле, а её движение по поверхности суши, в толще почв и горных пород в процессе глобального круговорота определяется как сток [10]. Рисунок 9 – Глобальный гидрологический цикл Земли [29]: объёмный состав гидросферы и активность водообмена, тыс. км3/время; средний годовой водный баланс Земли – тыс. км3 Известный русский гидробиолог Муравейский Сергей Дмитриевич [1894-1950 гг.] под стоком понимал сложный процесс, определяющий взаимоотношения между океаном и водами суши, процесс обмена водных масс океана и суши, процесс исторический, в ко- тором факторы геологические, географические, физические, химические, биологические не только определяют сам обмен и его характер, но и обусловливают круговорот веществ во всём процессе стока и в каждом водоёме (водном объекте) в частности. Глобальный круговорот совершается не просто водой, а водными массами, содер- жащими вместе с водой целый спектр растворённых и взвешенных в ней минеральных и органических веществ, а также живых организмов. Это необходимое положение для по- нимания как общегеографических закономерностей развития природных процессов на Земле, так и для решения более частных гидрологических проблем. Благодаря уникаль- ным физическим и химическим свойствам природная вода служит мощным аккумулято- ром и носителем солнечной энергии в виде тепла и продуцируемого в ней органического вещества, продуктов денудации суши, которые вовлекаются ею в процесс глобального обмена как в масштабах отдельных живых организмов, ландшафтов, регионов, континен- тов и океанов, так и всей Земли в целом. Сток, зарождаясь на водосборе из атмосферных осадков, наследует свойственную им ярко выраженную внутрисуточную, сезонную и многолетнюю изменчивость, которая осо- бенно велика в тех географических зонах и высотных поясах, где имеются сезонные чере- 59

дования выпадения жидких и твердых форм осадков. Эта изначальная изменчивость стока может усиливаться либо сглаживаться в каждом конкретном участке водосбора в зависи- мости от преобладания той или иной его формы: поверхностно-склонового стока, внутри- почвенного, грунтового (сток по водоносным горизонтам материнских пород), руслового, внутриводоёмного и т.п. Скорость и характер перемещения вод, обмен веществом с окру- жающей средой в каждой из форм стока различен. Этим обусловлены не только измене- ния режима стока по отношению к режиму питающих его атмосферных осадков, но и ка- чественные различия водных масс разного генезиса, т.е. некоторых объёмов воды относи- тельно однородных по своему составу и сформированных в определённых природных условиях. Помимо изменчивости во времени и качественной неоднородности, сток обладает ещё и пространственной неравномерностью, которая возникает из-за различий в количе- стве атмосферных осадков и испарений в отдельных районах и географических зонах зем- ного шара. Кроме того, эта неравномерность усугубляется благодаря свойственной про- цессу стока территориальной концентрации – следствие взаимодействия турбулентного водного потока с неровной и неоднородной в отношении эрозии поверхностью суши. В результате процесса территориальной концентрации стока образуются сложные гидро- графические системы, включающие временные водотоки, реки, болота, озёра и т.п. Поверхностный сток в целом представляет собой систему водотоков и водоёмов, а биогидрологическая структура каждого водоёма определяется местом, которое он занима- ет в системе стока. Функции отдельных звеньев гидрографической сети различны. Болота и озёра из-за свойственного им замедленного водообмена служат естественными регуля- торами стока, в то время как водотоки представляют собой гидрографические объекты пульсирующего (из-за чередования многоводных и меженных фаз режима) транзитного стока. Поверхностный сток представляет собой одно из многочисленных звеньев единого процесса стока, участвует одновременно и в локальных гидрологических циклах разного масштаба, а также в общем глобальном круговороте природных вод. Речной сток является важным элементом в системе водных объектов поверхностного стока. Регулирование речного стока. Необходимость регулирование речного стока – ис- кусственное перераспределение естественного, как правило, неравномерного по времени стока в соответствии с требованиями водопользования – возникла ещё в древности; была обусловлена развитием производительных сил и связывалась с решением задач ирригации и защиты от наводнений (затоплений и подтоплений) в половодья и паводки. Первые гид- ротехнические сооружения были обнаружены археологами в Египте, Месопотамии, Китае и Мексике и датировались несколькими тысячелетиями до нашей эры. Например, плотина Садд-эль-Кафара, первое упоминание о которой датируется 3200 годом до н.э., и ориги- нальная ирригационная система в долине Нила – аналог современной системы наливных водохранилищ. Древние египтяне построили в долине Ни- ла простую и надежную бассейновую систему ирригации, призванную как можно дольше, в течение всего посевного периода, задерживать воду на полях. Система наилучшим образом учитывала рельеф и закономерности отложе- ний ила на берегах Нила, которые были раз- делены продольными и поперечными плоти- нами и дамбами на большие и меньшие бас- сейны, через что она внешне была похожа на гигантскую шахматную доску. 60

Накануне разлива Нила или когда вода уже начинала прибывать, крестьяне проры- вали сквозь высокие нильские берега (их они ещё и искусственно наращивали) короткие каналы, которыми впускали воду в бассейны, откуда её потом распределяли на поля с по- мощью небольших земляных валов. Когда ил оседал, паводковую воду отводили назад, в реку. Нильский ил, остававшийся на полях, сохранял влагу в течение двух месяцев, кото- рого вполне хватало для произрастания и созревания зерновых культур. Система просу- ществовала в Египте до середины XIX века, сейчас она частично сохранилась только в Верхнем Египте (историческая область в Северной Африке). Почти каждый египетский фараон уделял внимание ирригационному строительству в стране, но самые грандиозные ирригационные работы были осуществлены в эпоху Среднего Царства на территории Фаюмского оазиса, в царствование Рамзеса II. Фаюм представлял собой естественную впадину, которая в глубокой древности орошалась рукавом Нила, однако постепенно, ещё до неолита, отделилась от нильской до- лины. В самом низком месте образовалось природное озеро, окружённое заболоченными землями. Фараон Аменемхет III превратил старый рукав Нила (арабы называли его Бахр- Юсуф – рукав святого Иосифа) в обводной канал. Паводковая вода этим каналом заполня- ла Меридово озеро (его нынешнее название – Биркет-Карун, Карун), когда же паводок за- канчивался, её отводили с помощью сложной системы дамб и каналов обратно в Нил и в засушливое время года она поили большие массивы земель. Благодаря фаюмской иррига- ционной системе Меридово озеро служило своеобразным сезонным регулятором реки, понижая максимальный уровень Нила во время паводка и замедляя спад уровня после прекращения паводка. Регулирование речных стоков позволяет эффективно решить многие проблемы: водообеспечение населения и хозяйственной деятельности в определённое время во- дами требуемого качества и в необходимом количестве; защита от наводнений (затоплений и подтоплений) в половодья и паводки; защита от селевых потоков; надёжное гидроэнергетическое обеспечение регионов при минимальных экологиче- ских рисках генерации; обеспечение функционирования АЭС, ГРЭС и других генерирующих станций; обеспечение глубин рек, озёр и каналов, требуемых для их использования в качестве водных путей сообщения; улучшение природных условий прилегающих территорий, повышение качества по- верхностных вод и водной рекреации; создание условий для ведения рыбного хозяйства и пр. Отрицательные экологические последствия регулирования стока: существенное изменение ландшафтов и гидрологических режимов рек и озёр; затопление лесов, угодий, населенных пунктов, промышленных предприятий, дорог, линий связи и электропередач; локальные изменения климата и повышение сейсмичности; подъём уровня грунтовых вод, приводящий к заболачиванию прилегающих земель; переработка и обрушение берегов, изменение температурного и ледового режимов, возрастание высоты ветровых волн на акватории; уменьшение скорости течения вызывает выпадение наносов и заиление водохрани- лищ и т.д. На основе рассмотренного понятия стока в некоторых научных работах использует- ся отличное от нормативно принятого определение водохранилища – антропогенное звено общего процесса стока, искусственный водоём, созданный на базе естественных (река, озеро и др.) или в специально созданных чашах, новый водный объект с искусственно ре- гулируемыми по определенному плану ёмкостью и зеркалом, обладающий специфиче- скими условиями формирования и гидрологического режима. 61

К антропогенным водоёмам также относятся пруды и водоприёмники. Пруды – это мелководные водохранилища площадью не более 1 км2, которые обыч- но относятся к сооружениям пассивного регулирования стока; устраиваются в специально выкопанных углублениях на поверхности земли, на обвалованных участках местности, в балках и оврагах, а также на малых реках, запруживаемых плотинами либо глухими, либо с необорудованными затворами водосбросными отверстиями. Сток из них эпизодичен, возникает при достижении уровнем определенных отметок. К водоприёмникам относятся искусственные водоёмы, предназначенные для сбора дренажных вод из мелиоративных систем, неочищенных сточных вод с целью их испаре- ния (аналогичны бессточным озёрам), а также всевозможные отстойные бассейны в си- стемах очистки промышленных и коммунально-бытовых сточных вод, включая и так называемые "хвостохранилища". Виды регулирования речного стока. В зависимости от задач, гидрологических осо- бенностей водного источника и состава водопотребителей применяют различные виды регулирования стока, которые классифицируются по назначению, продолжительности ре- гулирования, степени использования и т.д. Регулирование стока по назначению зависит от отрасли хозяйства, которую данное водохранилище обслуживает (энергетика, водоснаб- жение, ирригация и т.д.) При системе нескольких водохранилищ на одном водотоке и его притоках регулирование стока подразделяют на каскадное и компенсирующее. Каскадное регулирование стока имеет место, если водохранилища размещены по- следовательно в виде ступеней на одной реке. Компенсирующее регулирование обеспечи- вает покрытие дефицита в воде путем попусков из водохранилища, расположенного на притоке выше водозабора. По продолжительности различают суточное, недельное, крат- косрочное, сезонное (годичное) и многолетнее регулирование стока. Суточное регулирование заключается в перераспределении в течение суток практи- чески равномерного стока реки Qст в соответствии с требованиями потребителей. Вода накапливается в водохранилище в часы малого потребления и расходуется из него в часы повышенного потребления. Цикл регулирования (наполнение и сработка) суточный. Наиболее широко применяется для организации гидрообеспечения отраслей хозяйства с ярко выраженной суточной цикличностью (гидроэнергетика, сельское хозяйство, про- мышленные предприятия и т.д.) и водоснабжения населения. Объём водохранилища при суточном регу- лировании определяют сопоставлением нерав- номерного суточного графика водопотребления Q = Q(t) со средним расходом водопотребления за сутки Qср. Если расход водопотребления меньше сред- него, Q ˂ Qср, тогда водохранилище пополняет- ся, в противном случае, Q ˃ Qср, – происходит сработка водохранилища. Отношение максимального расхода потреб- ления в течение суток Qмах к среднесуточному Qср называется коэффициентом неравномерно- сти суточного потребления η = Qмах / Qср. Коэффициент неравномерности суточного потребления η показывает, во сколько раз можно увеличить число водопотребителей N при суточном регулировании. Действитель- но, при отсутствии суточного регулирования количество потребителей Nн = Qст / Qмах – определяется отношением стока реки к максимальному расходу потребления, при наличие суточного регулирования количество потребителей Nр = Qст / Qср – определяется отноше- нием стока реки к среднему расходу потребления. 62

Сопоставляя значения Nр и Nн, получаем Nр /Nн = Qмах / Qср ˃ 1. Это означает, что су- точное регулирование стока позволяет избежать ограничений по максимальному потреб- лению воды при отсутствии водохранилища (Qмах ˂ Qст) и ориентироваться на созданные запасы в периоды малого потребления, гарантирующие средний расход Qср. В результате возрастает число потребителей и надёжность их снабжения водой стока. Кроме того, су- точное регулирование позволяет уменьшить размеры и стоимость водозаборных сооруже- ний и оборудования, так как они рассчитываются не на максимальный (пиковый) режим, а на средний. Недельное регулирование стока заключается в перераспределении в течение недели относительно равномерного стока в соответствии с неравномерным потреблением воды. Перевод большинства предприятий на работу с двумя выходными днями в неделю значи- тельно повысил возможность использования избыточного стока в нерабочие дни для по- вышения отдачи в рабочие. Объём водохранилища (V), необходимый для про- ведения недельного регулирования стока, определяет- ся объёмом избытков (V2) в нерабочие дни и объёмом превышения (V1) в рабочие дни: V = V1 = V2 = 86400 × k × (Q1- Q2) × (n - k) / n, V1 = 86400 × (n - k) × (Q1 - Qср), V2 = 86400 × k × (Qср - Q2), Qср = [(n - k) × Q1+ k×Q2] / n, где n – число дней в неделе; k – число нерабочих дней; Q1 и Q2 – средние расходы водопотребления в рабочие и нерабочие дни; Qср – средний расход; 86400 – число секунд в сутках. Полный цикл регулирования (наполнение и сработка) равен неделе. Применяется в основном в промышленном водоснабжении и гидроэнергетике, а в период навигации – в судоходстве, когда возникают дополнительные потребности в воде на шлюзование судов. Краткосрочное непериодическое регулирование стока в виде краткосрочных непе- риодических попусков из водохранилища направлено на поддержания расходов или уров- ней воды на нижележащем участке водотока в соответствии с требованиями водопотреби- телей. Необходимый объём воды в водохранилище накапливается в течение ряда суток, а сосредоточенный попуск осуществляется в течение нескольких часов. Этот вид регулиро- вания применяется преимущественно для создания необходимых глубин при лесосплаве, судоходстве, а также в санитарных, сельскохозяйственных и других целях. Сезонное (годичное) регулирование – это перераспределение стока на протяжении года путем накопления избытка воды в многоводные периоды и использование его в ма- ловодные. Во время половодий и паводков водохранилища наполняют, а в период межени срабатывают воду. Объём водохранилища сезонного регулирования определяют путем сопоставления расчётного стока и водопотребления. Сезонное регулирование является наиболее распространенным видом регулирования стока. Применяется в энергетике, во- доснабжении, ирригации и других отраслях народного хозяйства. При этом виде регули- рования стока увязываются недельные и суточные балансы. Многолетнее регулирование стока заключается в его перераспределении в течение многолетнего периода и применяется для увязки годовых балансов. Цикл регулирования (наполнение и сработка водохранилища) длится несколько лет. Дефицит в маловодье по- крывается из запасов водохранилища за предшествующий период. Многолетнее регули- рование выполняет также функции сезонного регулирования стока. Это очень большие искусственные водоёмы, вмещающие десятки и сотни кубических километров воды. Мно- голетнее регулирование – наиболее полный и совершенный вид регулирования стока, от- вечающий задачам комплексного использования водных ресурсов. 63

2.2. Речной сток в балансе водохранилища Водохранилища – наиболее активная форма регулирования распределения во време- ни речного стока в интересах различных отраслей хозяйственной деятельности. Как вод- ный объект в составе природного комплекса водохранилище возникает «внезапно». Даже крупные водохранилища объёмом более 1 км3 заполняются, как правило, в течение срав- нительно короткого для природных образований периода времени – несколько лет. Водохранилища существенно отличаются от озёр (за исключением завальных озёр), которые развиваются в течение тысячелетий. В процессе длительного взаимодействия с окружающей природной средой озёра приобретают характерные черты гидрологического режима, которые наилучшим образом соответствуют природным условиям окружающей территории. Водохранилища, как новые антропогенные водные объекты, возникающие сравни- тельно быстро (с гидрологической точки зрения) и не прошедшие периода эволюционного развития в составе единого природного комплекса речного бассейна, вступают в интен- сивное взаимодействие с окружающей их природной средой в рамках бассейнов рек, из- меняя их структуру и баланс. С одной стороны, водохранилища опре- делённым образом воздействуют на гидро- логические условия прилегающих террито- рий: их создание приводит к затоплениям больших площадей суши, подтоплению прибрежных земель, пополнению запасов подземных вод в береговой зоне и другим явлениям и процессам, которые вызывают изменения как общих водных ресурсов речного бассейна, так и гидрологического режима водотока ниже створа подпорного сооружения. С другой стороны, гидрологический режим самого водохранилища теснейшим обра- зом связан с гидрометеорологическими условиями окружающей его территории. Именно эти условия определяют основные воднобалансовые соотношения, свойственные водо- хранилищу, а также наиболее оптимальный режим регулирования речного стока. Таким образом, комплекс водохранилище и речной бассейн представляют собой определенную природно-техногенную систему, в пределах которой водообмен формиру- ется в результате сложного совместного взаимодействия антропогенного объекта – водо- хранилища и природного объекта – речного бассейна. Масштаб взаимного влияния этих объектов зависит от их размеров, географического положения, типа водохранилища и ме- ста его расположения в гидрографической сети. Водохранилища увеличивают озёрность речного бассейна, т.е. площадь занятую водной поверхностью. Общая озёрность поверхности земли равна 1,4 %, а озёрность свыше 5 % считается высокой. Доля площади крупных одиночных водохранилищ речного типа в общей площади бассейнов рек составляет в среднем около 1-3 %. Так, например, для Волжско-Камского каскада водохранилищ соотношение составляет 1,5-2,0 %, для Ан- гарского (без озера Байкал) – 1 %. Для крупных озёрных водохранилищ доля площади водной поверхности в общей площади бассейна несколько выше и может составлять 4-10 % и более. Однако создание таких водохранилищ не приводит к существенному из- менению водообмена в системах речных бассейнов и водохранилищ. Это связано с тем, что водохранилища указанного типа создаются за счет незначительного подпора уровня озёр, при этом форма, основные морфометрические параметры и гидрологические осо- бенности таких водохранилищ и озёр мало различаются. 64

Так, например, после создания Верхне-Свирского водохранилища площадь водной поверхности Онежского озера возросла на 2 % до 9930 км2, а подъём среднегодового уровня озера составил 30 см. При сооружении Иркутского водохранилища площадь озера Байкал увеличилась на 1465 км2 (на 5 %). Такой же порядок цифр характерен для крупных озёрных водохранилищ Карелии и Кольского полуострова: Имандровское водохранилище – площадь озера Имандра увеличилась на 8%, Юшкозерское водохранилище – площадь Юшкозера возросла на 11 %, Водлозерское водохранилище – площадь Водлозера увели- чилась на 15%. В тех случаях, когда озёрные водохранилища создаются путем слияния двух и более озёр, указанные соотношения могут быть выше. Например, при создании То- по-Пяозерского водохранилища площадь водной поверхности увеличилась на 45%, Выго- зерско-Ондского – на 50,%, а Иовского – более чем в 2 раза. Однако даже при таком уве- личении площадей гидрологические особенности вновь образованных озёрных водохра- нилищ мало отличаются от тех, которые были присущи озёрам до поднятия их уровня, а влияние таких водохранилищ на водные ресурсы рек крайне незначительно. Влагообмен речного бассейна. Характер влагооборота в пределах речного бассейна зависит, с одной стороны, от количества влаги, поступающей извне, а с другой – от физи- ко-географических особенностей самого бассейна (географическое положение, рельеф, почва, грунты, растительность и др.), которые в конечном итоге определяют присущие данному бассейну соотношения между отдельными составляющими водообмена. При од- нонаправленном изменении какого-либо элемента водообмена, вследствие естественных или антропогенных причин, перестраиваются количественные соотношения между со- ставляющими гидрологического цикла речного бассейна и формируются новые соотно- шения, соответствующие изменившимся условиям влагооборота. В этом смысле речной бассейн правомерно рассматривать как саморегулирующуюся природную систему [8]. Количественные соотношения между отдельными составляющими водообмена в речном бассейне устанавливаются путем решения уравнения водного баланса, которое для естественных условий может иметь следующий вид: + − − Vао − Vрс − Vип + [ΔVпз + ΔVаз + ΔVгз ] + S = 0 , (2.1) + где Vао – приток воды в бассейн из атмосферы в виде осадков (дождь, снег и пр.); − Vрс – речной сток из бассейна; − Vип – отток воды из бассейна суммарный посредством поверхностного испарения; ΔVпз – изменения запасов влаги на поверхности бассейна; ΔVаз – изменения запасов влаги в зоне аэрации; ΔVгз – изменения запасов грунтовых вод в зоне бассейна; S – невязка уравнения водного баланса. В том случае, когда в пределах речного бассейна интенсивно развивается хозяй- ственная деятельность, в уравнение вводятся дополнительные члены, характеризующие антропогенные составляющие влагооборота, например [28]: + Vпа – приток воды поверхностный антропогенного происхождения (сброс отработан- ных вод, например, возвратных вод орошения, а также промышленных и ком- мунальных сточных вод); − Vпа – отток воды из озера поверхностный антропогенный (забор воды в интересах орошения, промышленности, коммунального хозяйства и пр.). Все факторы хозяйственной деятельности, оказывающие влияние на элементы вла- гообмена в речном бассейне, можно подразделить на три группы [42]: 1. факторы, действующие в русловой сети и перераспределяющие сток во времени и по территории; 2. факторы, действующие на обширных площадях бассейна и изменяющие соотноше- ния между элементами водного баланса; 65

3. смешанные факторы, действующие как в руслах, так и на водосборе, и обусловли- вающие перераспределение стока и преобразование элементов водного баланса. Водохранилища относятся к факторам первой группы, которые действуют в основ- ном в русловой сети и приводят к перераспределению речного стока во времени. Действи- тельно, основное назначение водохранилищ – регулирование речного стока и именно эта составляющая уравнения водного баланса бассейна больше всего изменяется как в годо- вом (при многолетнем регулировании), так и во внутригодовом (при сезонном, недельном и суточном регулировании) режимах. Однако само по себе перераспределение стока во времени не может привести к из- менению его средних многолетних годовых значений. Вместе с тем известно, что созда- ние водохранилищ, тем не менее, приводит к общему снижению речного стока. Это про- исходит за счет изменения сложившихся соотношений между элементами водного балан- са в пределах отдельных зон бассейна, подверженных воздействию водохранилища. Выделяют три характерные зоны речного бассейна, в каждой из которых происходят та- кие изменения: зона затопления, зона подтоп- ления от водохранилища, прирусловая зона реки ниже створа подпорного сооружения (включая дельтовую область реки), в пределах которой изменяются условия затопления в ре- зультате регулирования стока [8]. Рисунок 10 – Зоны речного бассейна: 1 – зона затопления; 2 – зона подтопления; 3 – прирусловая зона реки ниже створа подпорного сооружения После создания водохранилища водообмен в пределах указанных зон изменяется, что в конечном итоге приводит к общему снижению водных ресурсов в бассейне реки. На всей остальной территории значимых изменений водообмена не происходит. Лишь в сравнительно узкой прибрежной зоне крупных водохранилищ долинного типа, ширина которой может достигать 30-45 км, возможны некоторые изменения ряда гидрометеоро- логических элементов – температуры и влажности воздуха, скорости ветра и осадков. Вопрос о влиянии водохранилища на режим осадков в прибрежной зоне можно про- иллюстрировать на примере Волгоградского водохранилища речного типа, расположен- ного в степной зоне, а также на примере Каттакурганского и Чардаринского водохрани- лищ озёрного типа, расположенных в полупустынной зоне [8]: 1. Создание этих водохранилищ не привело к существенному изменению сезонных и годовых сумм осадков в прибрежной зоне по сравнению с естественными условиями. Для Каттакурганского и Чардаринского водохранилищ изменения годовых значений оказались не более 10%, для Волгоградского водохранилища – не более 20%. 2. С сооружением водохранилищ режим месячных сумм осадков существенно изме- нился в прибрежной зоне для тех месяцев, в течение которых ветры, дующие с водохра- нилища, стали играть заметную роль среди ветров других направлений. Месячное увели- чение осадков после создания водохранилища может достигать 10-15 мм. В процентном отношении это увеличение может составлять 50 % и более, особенно для засушливых ме- сяцев с малым количеством осадков. 3. После создания водохранилищ заметно изменился режим ветров на побережье: существенно увеличилось число случаев, когда ветры дуют с водохранилища; резко со- кратилось число случаев затишья (в 2-3 раза). 66

Водообмен водохранилища с окружающей средой. На разных стадиях создания и эксплуатации водохранилища соотношение между отдельными элементами водообмена может быть различным. В период заполнения водохранилища, по мере увеличения объёма и площади его водной поверхности, элементы водообмена изменяются наиболее интен- сивно. При нормальной эксплуатации водохрани- лища формируются уже достаточно устойчи- вые соотношения между элементами гидроло- гического цикла, свойственные тому или ино- му водохранилищу, хотя и в этот период ре- жим отдельных элементов может значительно изменяться. Наиболее характерные потоки об- щего вида водообмена для водоёмов представ- лены на рисунке. В том случае, когда в пределах водоёма ин- тенсивно развивается хозяйственная деятель- ность, в уравнение вводятся дополнительные члены, характеризующие антропогенные со- ставляющие влагооборота, как это было пока- зано для баланса речного бассейна. Рисунок 11 – Потоки водообмена водоёма Уравнение водного баланса водоёма в общем виде чаще всего выглядит так: + + + − − − Vвпе + Vвг + Vвао − Vвип − Vвпс − Vвг + ΔVви + S = 0, (2.2) + где Vвпе – приток воды в водоём поверхностный естественного происхождения (реки, ручьи и пр.); + Vвг – приток в водоём грунтовых вод; + Vвао – приток воды в водоём из атмосферы в виде осадков (дождь, снег и пр.); − Vвип – отток воды из водоёма посредством поверхностного испарения; − Vвпс – сток воды поверхностный из водоёма (реки); − Vвг – сток воды грунтовый из водоёма; ΔVви – изменения объёма воды в водоёме за расчётный интервал времени; S – невязка уравнения водного баланса. Рассматривая структуру уравнения, применительно к водохранилищам, надо обра- тить внимание на следующую его особенность. Наличие составляющих грунтового при- тока и стока предполагает существование однонаправленных потоков грунтовых вод либо к водоему, либо от него. Для озёр, в береговой зоне которых подземные воды имеют уста- новившийся режим, такое положение действительно существует, но для водохранилищ этого не происходит. Как известно, при заполнении водохранилищ уровни воды в них по- стоянно растут. В период нормальной эксплуатации уровенный режим водохранилищ также нестабилен: как внутри года, так и в многолетнем разрезе уровенная поверхность водохранилищ значительно колеблется. Особенно это характерно для крупных водохра- нилищ многолетнего и сезонного регулирования. С изменением положения уровенной по- верхности теснейшим образом связан режим подземных вод. В одних случаях фильтрация из водохранилища будет преобладать над притоком подземных вод, в других – может иметь место обратный процесс. Анализ имеющихся данных по динамике подземных вод в береговой зоне водохра- нилища приводит к тому, что при расчёте подземных компонентов водного баланса необ- 67

ходимо выделять несколько периодов, соответствующих следующим трём характерным фазам формирования режима подземных вод в районе водохранилища: фаза заполнения водохранилища, когда происходит интенсивная фильтрация в дно и берега водохранилища; фаза начала эксплуатации водохранилища, в течение которой стабилизируется дви- жение фильтрационных и грунтовых вод; фаза нормальной эксплуатации водохранилища в условиях установившегося режима грунтовых вод в его береговой зоне. Таким образом, на различных этапах су- ществования водохранилища значения под- земного водообмена могут иметь разные зна- ки. Поэтому нельзя говорить о средних мно- голетних значениях данной составляющей, как это нередко бывает при расчётах водных балансов водохранилищ. Можно говорить лишь об интегральном значении за некото- рый период, который включает в себя годы, как с положительной, так и с отрицательной результирующей подземного водообмена. Рисунок 12 – Потоки водообмена водохранилища Поэтому более правильно уравнение водного баланса водохранилища записывать в следующем виде: + + − − Vвпе + Vвао − Vвип − Vвпс + ΔVвг + ΔVви + S = 0, (2.3) где ΔVвг – грунтовой водообмен между водохранилищем и его береговой линией. В уравнении водного баланса водохранилища основными компонентами являются + − элементы речного стока в виде приточной Vвпе и сточной Vвпс составляющих. Соотноше- ние между ними определяет степень зарегулированности большинства рек России. Высокой степенью зарегулированности стока отличаются реки европейской терри- тории России, где водопотребители и водопользователи испытывают дефицит водных ре- сурсов в отдельные периоды и годы. Например, сток реки Волги зарегулирован на 40%, Дона – на 50%, Урала – на 68%. В целом на реках европейской части России суммарный полезный объем зарегулированного стока достигает 161 км3, в том числе на реках север- ного склона континентального водосбора – 35 км3, южного – 126 км3 [11]. Сопоставление уравнений водного баланса для бассейна и водохранилища показы- вает, что по своей структуре они похожи. Три элемента – осадки, испарение и сток пред- + − − + − − ставлены в обоих уравнениях: [Vао , Vип , Vрс ] – речной бассейн, [Vвао , Vвип , Vвпс ] – водо- хранилище. Ряд других элементов характеризует изменения запасов воды как в речном бассейне (ΔVвз , ΔVаз , ΔVгз ), так и в водохранилище (ΔVви ). В отличие от замкнутого речного бассейна водохранилище имеет водообмен с окру- + жающей территорией. Поэтому в уравнение включены два дополнительных члена: Vвпе – приток воды в водохранилище поверхностный естественного происхождения (реки, ручьи и пр.), ΔVвг – грунтовой водообмен между водохранилищем и его береговой линией, ко- торый может быть положительным и отрицательным. 68

Очевидно, что наибольшая «перестройка» воднобалансовых соотношений при со- здании водохранилища происходит в пределах зоны затопления, где вместо бывшей суши появляется водоём со специфическими чертами водного режима. Две другие зоны испы- тывают косвенное влияние водохранилища. Подтопление прилегающих к водохранилищу земель происходит из-за повышения уровня грунтовых вод в береговой зоне водохрани- лища под влиянием подпора. Вследствие этого изменяется характер водообмена зоны аэрации с зоной грунтовых вод, а также режим испарения с подтопленной зоны. В третьей прирусловой зоне реки, ниже створа подпорного сооружения, изменение водообмена при создании водохранилища связано с режимом регулирования стока. В свя- зи с тем, что водохранилища «срезают» пики половодий и паводков и выравнивают ход стока внутри года, площади затопления в прирусловой области реки ниже створа плотины и в дельте реки сокращаются, что приводит в основном к изменению режима испарения с тех участков суши, которые до создания водохранилища подвергались интенсивному за- топлению. Приведённые общие структуры уравнений водного баланса речного бассейна и во- дохранилища позволяют получить выражения, характеризующие взаимосвязи между эле- ментами водообмена указанных водных объектов для трех характерных зон речного бас- сейна. Для зоны затопления речного бассейна уравнение водного баланса для естественных условий с учетом выражения (2.1) будет иметь следующий вид: + + − − Vвпе + Vвао − Vип − Vрс + [ΔVвз + ΔVаз + ΔVгз ] + S = 0, (2.4) + − где Vвпе – поверхностный приток к зоне; Vвпс – сток за пределы зоны. Решив совместно уравнения (2.3) и (2.4) без учёта невязок, исключив одинаковые + + составляющие по осадкам Vвао и поверхностному притоку Vвпе , произведя некоторые преобразования, можно получить следующее выражение: − − − − (Vвпс − Vрс ) = (Vип − Vвип ) + (ΔVви − ΔVпз − ΔVаз ) + (ΔVвг − ΔVгз ), (2.5) Данная зависимость наиболее наглядно отражает взаимосвязи между отдельными элементами влагообмена в рассматриваемой зоне до и после ее затопления. Действительно, все изменения в системе влагооборота в связи с созданием водохра- − − нилища проявляются в изменении стока с территории, ΔV = Vвпс − Vрс . Масштабы этого изменения будут зависеть от того, насколько изменятся объемы испарившейся влаги с − − территории зоны затопления (Vип − Vвип ), запасы воды в пределах контура водохранили- ща (ΔVви − ΔVпз − ΔVаз ) и грунтовой составляющей (ΔVвг − ΔVгз ), ограниченных с по- верхности урезом водохранилища, а снизу водоупором. Для зоны подтопления. При выводе уравнения изменения стока для зоны подтопле- ния совместно решаются уравнения водного баланса вида (2.4) для естественных условий и стадии подтопления. После ряда преобразований получено следующее выражение: − − − − (Vппс − Vрс ) = (Vпип − Vип ) + (ΔVгз − ΔVпгз ) + (ΔVаз − ΔVпаз ), (2.6) − − где Vппс и Vпип – сток и испарение с поверхности подтопленной территории соответ- ственно; ΔVпгз и ΔVпаз – изменения запасов воды в зонах грунтовых вод и аэрации после подтопления соответственно. Для прирусловой зоны реки ниже створа подпорного сооружения при выводе уравне- ния изменения стока используется уравнение (2.4), в результате решения которого для естественных условий и для периода после создания водохранилища получается следую- щее уравнение: 69

− − − − − − (Vнпс − Vрс ) = (Vвпе − Vнип ) + (Vип − Vнип ), (2.7) − − − где Vнпс , Vвпе , Vнип – соответственно сток с зоны, приток в зону и испарение с её поверх- ности для периода после создания водохранилища. Следовательно, в третьей зоне за счёт регулирования стока изменяются приток в зо- ну и испарение, что повлияет на сток в замыкающем створе реки. Регулирование речного стока оказывает значительное влияние в зонах затопления, подтопления и прирусловой зоне реки ниже створа подпорного сооружения на фазах за- полнения, начала эксплуатации и нормальной эксплуатации водохранилища, как на сам речной сток, так и на структуру водных балансов данных зон. Наибольшее распростране- ние получило регулирование стока с использованием различного рода плотин, перегора- живающих долины рек. 3. Плотины водохранилищ Гидротехника – отрасль науки и техники, охватывающая вопросы использования, охраны водных ресурсов и борьбы с вредным действием вод при помощи гидротехниче- ских сооружений. Люди любят подчёркивать своё величие, но оказывается, что бобры тоже могут показать свою «гидротехническую значимость». На фо- тографии из космоса чётко видны последствия возведения бобрами плотины в Национальном парке Вуд Буффало, провинция Альберта (Ка- нада). Длина тела плотины, возведённой боб- рами, составила почти километр. Для сравне- ния, с 1936 по 1945 год самой крупной плоти- ной, созданной человеком, считалась плотина Гувера длиной чуть менее 400 метров. В зависимости от обслуживаемой отрасли водного хозяйства гидротехника имеет следующие основные направления применения: гидроэнергетика – использование кинетической энергии воды; транспорт – обеспечение судоходства и лесосплава по водным путям; сельское хозяйство – орошение, обводнение и осушение земель; водоснабжение населения, транспортных и промышленных предприятий; рыбоводство – создание водоёмов для нереста рыбы и её искусственного разведения; рекреация – комплекс оздоровительных мероприятий, осуществляемых с целью вос- становления нормального самочувствия и работоспособности здорового, но утомлённого человека; защита населённых пунктов, промышленных объектов, линий транспорта, связи, различных сооружений от вредного действия водной стихии; преобразование окружающей среды – строительство плотин изменяет режим движе- ния воды (например, горные реки могут превратиться в равнинные, изменив льдообразо- вание и биоценоз); скопления больших масс воды делает климат более влажным и мягким, приводит к наведённой сейсмичности и пр. В большинстве случаев использование водных ресурсов носит комплексный харак- тер, то есть одновременно решается несколько водохозяйственных задач. Гидротехнические сооружения – сооружения для использования водных ресурсов, а также для борьбы с вредным воздействием вод, являются основными объектами исследо- 70

вания гидротехники и её практического приложения в интересах социального и экономи- ческого развития. В соответствии с положениями Федерального закона от 21.07.1997 года № 117-ФЗ (ред. от 14.07.2008) «О безопасности гидротехнических сооружений» к гидротехническим сооружениям отнесены: плотины, здания гидроэлектростанций, водосбросные, водоспускные и водовыпуск- ные сооружения, туннели, каналы, насосные станции, судоходные шлюзы и судоподъём- ники; сооружения, предназначенные для защиты от наводнений, разрушений берегов и дна водохранилищ и рек; сооружения (дамбы), ограждающие хранилища жидких отходов промышленных и сельскохозяйственных организаций; устройства от размывов на каналах, а также другие сооружения, предназначенные для использования водных ресурсов и предотвращения негативного воздействия вод и жидких отходов. Плотина – гидротехническое сооружение, перегоражи- вающее водоток или водоём для подъёма уровня воды. Также служит для сосредоточения напора в месте распо- ложения сооружения и создания водохранилища. Тип и конструкция плотины определяются её размера- ми, назначением, а также природными условиями и видом основного строительного материала. Плотины различают- ся по типу основного материала, из которого они возво- дятся, по назначению и по условиям пропуска воды. По типу материала различают земляные, каменно- земляные, каменные, бетонные, металлические, тканевые, деревянные плотины; по назначению – водохранилищные, водоопускающие, водоподъёмные (предназначенные лишь для повышения уровня верхнего бьефа); по способу возве- дения – насыпные, намывные и направленного взрыва. По способу восприятия основных нагрузок различают гравитационные (обладающие большим весом), арочные, контрфорсные, арочно-гравитационные и контррегулирующие плотины; по условиям пропуска расхода воды – глухие (не допускают перелива воды че- рез гребень), водосбросные и фильтрующие (пропуск воды осуществляется через тело плотины). В плотинах существуют водосбросные сооружения, водоспуски и водосливы. Степень развития в стране водного хозяйства государств обычно характери- зуется количеством больших плотин, их соотношением с площадью территории и объёмом годового стока рек. Таблица 11 – Количество больших пло- тин в разных странах мира по данным ICOLD на 2000 год [33] По определению Международной комиссии по большим плотинам (ICOLD) «боль- шой» считается плотина высотой 15 метров или более (от основания), а также плотины высотой от 5 до 15 метров, образующие объём водохранилища более 3 млн. м3. Под это определение подпадает более 45000 плотин во всём мире. В России основные объёмы водохранилищ, способные перераспределять водные ре- сурсы во времени, сконцентрированы в сравнительно небольшом количестве крупных во- дохранилищ с большими плотинами, а в целом её речные системы слабо зарегулированы. 71

По состоянию на 2014 год в мире насчитывалась 51 плотина (дамба) с высотой от основания не менее 200 метров. Из них наиболее высокой является плотина ГЭС Цзиньпин-1 в Китае высотой 305 метров. Дамба – это гидротехническое сооружение, ана- логичное по устройству земляной плотине, предназначенное для временного удержания воды, ограждения территории, направления движение потока. Сооружаются ещё 15 пло- тин (дамб) высотой не менее 230 метров. Из них наиболее высокая плотина Рогунской ГЭС на реке Вахш в Таджикистане: каменно-земляная, насыпная, высота 335 метров. Плотины, возникшие естественным путём в результате оползней, по высоте сравнимы с дамбами, которые созданы человеком и часто намного их превосходят. Например, Усойская дамба на реке Мургаб в Таджикистане высо- той 567 метров образовала 5 (18) февраля 1911 года после сильного землетрясения (9 баллов), привела к образованию Сарезского озера. Усойский завал перекрыл также впадавшую в Мургаб небольшую реку Шадау-Дарья, что привело к образованию озера Шадау. В число самых высоких плотин (дамб) мира входят и две российские плотины, воз- двигнутые на реках Енисей и Сулак. Плотина Саяно-Шушенской ГЭС имеет высоту 242 метра, арочно-гравитационная, бетонная; плотина Чиркейской ГЭС – 232,5 метра, ароч- ная, бетонная. Кроме понятия «большая плотина» также встречается понятие «крупнейшая плоти- на». Термин характеризует объём структуры сооружения и не столь доступен и надёжен, как высота плотины и объём водохранилища. Часто встречается в материалах Междуна- родной комиссии по большим плотинам (ICOLD). Например, в отчёте ICOLD 2009 года «Плотины и развитие. Новая методическая основа для принятия решений» [26]. В числе 20 крупнейших плотин (дамб) мира находится плотина Жигулёвской ГЭС, ранее известная как плотина Куйбышевская ГЭС. Строительство гидроузла началось в 1950 году и было завершено в 1957 году. Гидроузел включает земляную набросную пло- тину длиной 2800 метров, шириной 750 метров и высотой 52 метра; водосливную бетон- ную плотину длиной 980 метров. Объём структуры тела плотины составляет 54 млн. м3. На первом месте среди крупнейших плотин (дамб) находится Syncrude, дамба хвостохра- нилища, которая относится к системе Милдред-Лейк-отстойников (MLSB). Это зем- ляная дамба, расположенная в 40 км к северу от Форт-Макмюррей (провинция Альберт, Ка- нада) в северной оконечности озера Милдред, построена для обеспечения добычи нефти в песках Атабаски в 1995 году. Длина дамбы – 18 км, средняя высота – 40 м, максимальная высота – 88 м. Объём структуры дамбы до 740 млн. м3. Второй по величине крупнейшей плотиной считается земляная плотина Тарбела на реке Инд в Пакистане, расположенная в округе Харипур, приблизительно в 50 км на севе- ро-запад от Исламабада. Плотина образует водохранилище Тарбела площадью около 250 км2. Возведена в 1976 году и предназначена для хранения воды реки Инд в целях ороше- ния, борьбы с наводнениями и выработки электроэнергии. Высота плотины – 148 метров, объём структуры – до 152 млн. м3. 72

3.1. Плотины из грунтовых материалов Для удобства изучения плотины обычно классифицируются по характерным призна- кам. Наиболее распространённой является классификация по материалу, из которого они возводятся. Материалом для сооружения плотин может служить грунт, бетон, железобе- тон, дерево, водонепроницаемая ткань и металл. Грунтовые плотины являются самым древним типом искусственных подпорных со- оружений. Подпор – подъём уровня воды, возникающий вследствие перегораживания, стеснения русла водотока или изменения условий стока подземных вод. В Египте, Индии, Перу и других странах простейшие грунтовые плотины строились за несколько тысяч лет до нашей эры. В России в документах XIII века о грунтовых пло- тинах упоминается как об обычных, распространённых сооружениях. Существующая и поныне в Алтайском крае Змеиногорская плотина высотой 18 м, построенная в 1780 году выдающимся русским горным инженером, изобретателем-механиком, гидротехником Козьмой Дмитриевичем Фроловым [29.06(10.07).1726 - 9(21).03.1800 гг.], говорит о со- вершенстве строительства подобных сооружений в России. В XX веке грунтовые плотины полу- чили наибольшее распространение. В настоящее время самой высоткой из грунтовых плотин является земляная насыпная плотина Нурекской ГЭС на ре- ке Вахш, в Таджикистане. Высота плоти- ны составляет 304 м, объём структуры тела плотины – 54 млн. м3, объём создан- ного водохранилища – 10,5 км3, площадь зеркала – 98 км2, длина береговой линии – около 70 км. Нурекская плотина по вы- соте уступает только арочной бетонной плотине ГЭС Цзиньпин-1 на реке Ялунц- зян в Китае, высота – 305 м. Грунтовые плотины – это наиболее распространённый тип плотин, что объясняется возможностью полной механизации технологического процесса по их возведению: от раз- работки грунта в карьере до укладки его в тело плотины; широким разнообразием кон- струкций плотин, которые позволяют использовать для тела плотины практически любые грунты, находящиеся вблизи створа. Кроме того, при возведении грунтовых плотин предъявляются меньшие требования к деформируемости основания, чем плотин из других типов материалов. Их строят даже на очень слабых илистых основаниях. Грунтовые плотины в зависимости от материала их тел и противофильтрационных устройств, а также способов возведения, подразделяют на типы, основными из которых являются [25]:  земляная насыпная – грунты тела – от глинистых до гравийно-галечниковых; отсыпают насухо с уплотнением или в воду;  земляная намывная – грунты тела – от глинистых до песчано-гравийных и гравийно-галечниковых; намывают средствами гидромеханизации;  каменно-земляная – грунты тела – крупнообломочные; противофильтрационные устройства – от глинистых до мелкопесчаных;  каменно-набросная – грунты тела – крупнообломочные; противофильтрационные устройства – из негрунтовых материалов или комбинированные (грунт + инъекция и т.п.) 73

Тип возводимой плотины выбирается в зависимости от топографических и инженер- но-геологических условий основания и берегов будущей котловины, гидрологических и климатических условий района строительства, величины напора воды, наличия грунтовых строительных материалов, сейсмичности района, общей схемы организации строительства и производства работ, особенностей пропуска воды для нужд строительства, сроков ввода в эксплуатацию и условий эксплуатации плотины. А. Земляные насыпные плотины. Имеют трапециевидное поперечное сечение с прямолинейными или ломаными очертаниями верхового и низового откоса. В простейшем виде тело плотины (1) ограничено верховым (2) и низовым (3) откосами, гребнем (5) и подошвой (4) пло- тины. Верховые откосы плотин всегда бо- лее пологи, чем низовые, поскольку устой- чивость откоса зависит от угла внутренне- го трения, который для грунтов, насыщен- ных водой, меньше, чем для сухих. Рисунок 13 – Основные элементы земляных насыпных плотин Тангенс угла наклона откоса к горизонту называется углом откоса tg α = 1: m, а вели- чина m = ctg α – коэффициентом заложения откоса или просто заложением откоса. Ориентировочные значения коэффициентов заложения откосов земляных насыпей плотин из глинистых и песчаных грунтов, при наличии в основании грунтов с прочностью сопоставимой или больше, чем в теле плотины, иллюстрирует таблица. Таблица 12 – Ориентировочные значения коэффициентов заложения откосов плотин Откосы земляных плотин могут быть с постоянным (для низких) и переменным (для средних и высоких) заложением. При этом переломы откосов наилучшим образом выпол- няются с использованием берм (рисунок 13, (6)). Бермы устраивают как на низовом, так и верховом откосах с целью: облегчения производства работ по покрытию откосов; создания более устойчивого упора для крепления откоса; включения в тело плотины строительных перемычек; осуществления перехода от одного заложения откоса к другому; перехвата и отвода дождевых и талых вод, стекающих с вышерасположенной части откоса; надзора и ремонта откоса в процессе эксплуатации; прокладки дороги; сопряжения откоса плотины с дренажём, выполненным в виде дренажной призмы. Первые четыре пункта из перечисленных можно отнести к верховому откосу, а остальные – к низовому. Поскольку бермы верхового откоса необходимы главным образом для производ- ственных условий, их размеры и местоположение принимают исходя из принятой органи- 74

зации работ. Так, например, при креплении откосов сборными плитами ширина бермы за- висит от базы подъёмных кранов, а расстояние между бермами по высоте – от вылета стрелы. В случае, когда бермы предназначены только для создания упора, ширина их рав- на 1,5-2,0 м. Если по условиям производства работ бермы не требуются, а упоры крепле- ния устраивают непосредственно на откосе, верховые откосы могут быть без берм. Низо- вые откосы плотин средней высоты и тем более высоких, как правило, имеют бермы. В низких плотинах бермы обычно отсутствуют. Гребень земляной плотины намечают так, чтобы он возвышался над нормальным подпорным уровнем (форсированным подпорным уровнем) на высоту, несколько боль- шую высоты наката ветровой волны на верховой откос плотины. Ширина плотины по верху (bг) назначается, как правило, с таким расчетом, чтобы на гребне плотины могла разместиться автомобильная или железная дорога, а также пеше- ходные полосы, размеры которых устанавливают по нормативным документам. Ширину плотины по верху принимают не менее 3-6 м для плотин высотой до 20-30 м и не менее 6-8 м для более высоких плотин. Ширина плотины по низу определяется выражением bн = bг + h (mв+ mн), т.е. из про- стых геометрических соотношений трапеции, h – высота плотины. Как известно, под влиянием создаваемого плотиной напора происходит фильтрация из верхнего в нижний бьеф, как через основание, так и через тело плотины. При этом тело плотины насыщается гравитационной водой до депрессионной поверхности (рисунок 13, (7)), в любой точке которой давление равно атмосферному. Фильтрационный поток, огра- ниченный сверху кривой депрессии, называемый безнапорным. Грунт ниже депрессион- ной поверхности постоянно находится в водонасыщенном состоянии. Земляные насыпные плотины классифицируются по структуре тела плотины и ис- пользуемым противофильтрационным устройствам в теле и основании плотины. По структуре тела земляные насыпные плотины подразделяются на однородные и неодно- родные плотины. Земляные насыпные однородные плотины возводятся из одного вида слабоводопрони- цаемого грунта. Для предохранения откосов плотины от размыва волнами, течением воды в бьефе, а также стекающей по ним дождевой водой, их обычно крепят, выполняют с изменяющими- ся заложениями и организуют бермы. Рисунок 14 – Земляная насыпная одно- родная плотина [35] Крепление откоса выполняют ниже уровня мёртвого объёма (УМО), что уменьшает вероятность размыва тела плотины и последующее её разрушение. В качестве материала используют: каменные насыпи, бетонные и железобетонные конструкции, асфальтобетон- ные покрытия и различные биологические структуры. Кроме грунтовой призмы, в теле плотины делают дренажные устройства. Например, создают дренажные призмы из гравия и т.д. Земляные насыпные неоднородные плотины могут создаваться с организацией вер- ховой грунтовой противофильтрационной призмы или центральной грунтовой противо- фильтрационной призмы (ядра). При этом ядро может быть вертикальным или наклон- ным. Для обеспечения местной прочности грунта на откосе устраивают крепление. На верховом откосе крепление выполняют для защиты грунта от воздействия волн и льда со стороны водохранилища; на низовом – для защиты его от воздействия атмосферных осад- ков и воды в нижнем бьефе. 75

Рисунок 15 – Земляные насыпные плотины неоднородные [35] Эффективными структурными средствами повышения эксплуатационных характе- ристик однородных и неоднородных плотин является дополнительное устройство проти- вофильтрационных устройств в виде грунтовых и негрунтовых экранов на поверхности верховых упорных призм, а также создание в теле плотины грунтовых ядер (вертикальных или наклонных) и негрунтовых диафрагм. Структуры плотин с противофильтрационными устройствами иллюстрирует рисунок. а) Противофильтрационное устройство б) Противофильтрационное устройство с с грунтовым экраном экраном из негрунтовых материалов в) Противофильтрационное устройство г) Противофильтрационное устройство с грунтовым ядром с негрунтовой диафрагмой Рисунок 16 – Земляные насыпные плотины с противофильтрационными устройствами [35] 76

Противофильтрационные устройства в теле плотины выполняется с целью [40]: уменьшения фильтрационного расхода через тело плотины; уменьшения уклонов фильтрационных потоков в теле плотины и тем самым повы- шения её фильтрационной прочности; снижения кривой депрессии в низовой части плотины и тем самым увеличения устойчивости низового откоса плотины, а также избавления от опасности пучения грунта зимой в области низового клина плотины. Грунтовые экраны и понуры создаются из маловодопроницаемых грунтов (обычно из суглинка, глины или глинобетона). Толщина грунтового экрана должна увеличиваться книзу или сохраняться постоянной. Эту толщину назначают в зависимости от ширины ис- пользуемых при строительстве самосвалов, катков и т.п., но не менее. После окончания осадки плотины верх грунтового экрана должен быть не ниже ФПУ. Основание экрана может сопрягаться с зубом, глубина которого зависит от качества основания. В случае песчаного основания, экран продолжают перед плотиной в виде понура, длину которого назначают по расчету фильтрационной прочности основания плотины. Экраны из негрунтовых материалов различаются большим разнообразием, как по материалу, так и по конструктивному исполнению. Среди них находятся бетонные и же- лезобетонные, асфальтобетонные, металлические, деревянные и полимерные экраны. Бетонные экраны не нашли широкого распространения из-за жесткости конструкции и применялись для плотин с сухой кладкой малых и средних высот. Для высоких наброс- ных плотин выполнялись железобетонные экраны гибкой конструкции, разрезанные тем- пературно-осадочными швами в горизонтальном и вертикальном направлениях. Их ос- новным недостатком является большая чувствительность к осадкам наброски и, как след- ствие, – повышенные требования к её уплотнению. Большое значение приобретает также гибкость и водонепроницаемость швов экрана, устройство которых довольно трудоёмко и требует расхода металлических пластинок, досок, резины или пластмассы. Железобетон- ные экраны представляют собой сложные инженерные сооружения и прибегают к ним лишь при отсутствии местных грунтовых материалов. Асфальтобетонные экраны выполняют из так называемого гидротехнического ас- фальтобетона, который представляет собой смесь нефтяного битума с минеральным по- рошком, песком, щебнем и специальными добавками; эту смесь укладывают в горячем состоянии и соответствующим образом уплотняют. Данные экраны отличаются большей гибкостью и простотой выполнения, не требуют устройства деформационных и темпера- турных швов и тем самым больших затрат на гидроизоляцию. Они имеют высокую водо- непроницаемость и достаточную прочность, а также допускают полную и комплексную механизацию производственных процессов. Эксплуатация плотины с асфальтобетонными экранами показала, что такие экраны работают без нарушения водонепроницаемости даже при больших деформациях тела пло- тины. Кроме того, они могут эксплуатироваться при температурах до +50°С. Асфальтобетонные экраны выполняют в виде: одного слоя асфальтобетона, уклады- ваемого на спланированный и уплотнённый грунт; одного слоя асфальтобетона, уклады- ваемого на дренажную подготовку, выполненную из пористого асфальтобетона и гравий- но-галечникового грунта; двух слоев плотного асфальтобетона, между которыми имеется дренаж, выполненный слоем пористого асфальтобетона. К недостаткам асфальтобетонных экранов следует отнести сложность их выполне- ния в северных районах, так как горячий асфальтобетон можно укладывать только при температуре выше +50С и при отсутствии осадков. Для обеспечения трещиноустойчиво- сти экранов при температуре ниже - 450С в асфальтобетон надо вводить значительные до- бавки эластомеров (свыше 10%), что удорожает и усложняет работы по его приготовле- нию и укладке. Опыт применения асфальтобетонного покрытия Табурищенского мыса Кременчугского водохранилища показал, что это покрытие плохо сопротивляется ледо- вым воздействиям и ударным нагрузкам, поэтому необходимо наличие защитного крепле- 77

ния железобетонными плитами, каменной наброской или грунтовой отсыпкой. Кроме то- го, асфальтобетонное покрытие требует высокого качества работ по приготовлению, укладке и уплотнению смеси. Асфальтобетонные экраны могут широко применяться в районах с умеренным кон- тинентальным климатом, тем более что разработанные в последние годы асфальтоуклад- чики и виброуплотнители обеспечивают комплексную механизацию. При хорошем выполнении деревянные экраны практически водонепроницаемы и по конструкции достаточно гибки. Однако они дороги, так как требуют применения обрабо- танного антисептиками строевого леса из лиственных и хвойных пород (кедр, сосна). По сравнению с другими видами экранов деревянные экраны при обязательной обработке верхнего бьефа недолговечны, требуют ремонта или реконструкции; они часто расслаи- ваются либо в результате расширения и выпучивания досок при их набухании, либо от усыхания при колебаниях уровня водохранилища. Деревянные экраны сложны в производстве из-за необходимости устройства анкер- ного крепления к подэкрановой кладке и выполнения большого количества стыковых со- единений. Кроме того, эти экраны требуют применения металла. Деревянные экраны применялись на пло- тинах малой и средней высоты в ранний пе- риод строительства набросных плотин, при наличии в районе строительства подходя- щих лесоматериалов, в условиях обеспечи- вающих длительную сохранность дерева, а также возможность опорожнения бьефа для ремонта. Большого распространения не по- лучили. Из наиболее примечательных кон- струкций следует отметить деревянные экраны на Малоульбинской и Широковской плотинах, Россия, 1936-1948 гг. Стальные экраны полностью отвечают условиям водонепроницаемости, прочности и гибкости, но из-за дороговизны и сложности монтажа имеют ограниченное применение. Данные экраны отличаются тем, что могут быть возведены в любых климатических усло- виях, однако требуют устройства температурных компенсаторов, использования анкер- ных болтов и других деталей. Последнее обстоятельство, равно как и осуществление большого количества сварных швов, осложняют монтаж конструкции. Устройство экрана требует большого количества металла из-за необходимости устройства ребер жесткости, болтовых соединений, анкеровки, а также конструктивного утолщения листов по условиям сварки, а иногда и коррозии. Защита от коррозии осу- ществляется покрытием поверхности металла с обеих сторон различными красителями, состав и цвет которых выбирается с учетом местных температурных условий. Классическими примерами плотины с металлическим экраном могут служить Храм- ская плотина высотой 32,2 м в России, экран которой выполнен из нержавеющей стали толщиной 8 мм, и плотина Салазар высотой 63 м в Португалии. Оба экрана отличаются высоким качеством; они работают без нарушений нормального режима эксплуатации. Грунтовые ядра плотин выполняются из таких же грунтов, как и грунтовые экраны. Ось поперечного сечения ядра проектируют обычно вертикальной и совпадающей с осью поперечного сечения плотины. Ось может быть сдвинута по отношению к оси плотины в сторону верхнего бьефа, ей можно придать наклонное положение. Величина коэффициен- та низового откоса в случае земляных плотин не зависит от местоположения ядра. Вопро- сы о размерах ядра, сопряжении его с основанием, защите от промерзания (в верхней ча- сти), устройстве переходных слоев по боковым границам ядра решаются так же, как и в случае грунтовых экранов. 78

Противофильтрационные диафрагмы могут быть выполнены из бетона, железобето- на, асфальтобетона, металла и полимера, а также создаваться как инъекционные ядра. Бетонные диафрагмы выполняют из бетона не ниже М200. Толщину этих диафрагм поверху назначают 0,5-0,7 м, боковые грани делают с небольшим наклоном к вертикали. Для придания бетонной диафрагме большей водонепроницаемости её верховую грань по- крывают гидроизоляцией; в некоторых случаях укладывают тонкий слой глины или су- глинка. С целью перехвата воды, которая может просочиться через диафрагму, с низовой её стороны располагают иногда вертикальный дренажный слой, выполненный из крупно- зернистого материала. Бетонные диафрагмы высоких плотин дополнительно снабжают вертикальным трубчатым дренажём, причем в теле диафрагмы устраивают горизонталь- ные смотровые галереи (потерны). На диафрагму действует гидростатическое давление воды, насыщающей поры грунта, и активное давление взвешенного грунта, образующего верховой клин плотины. Железобетонные диафрагмы имеют значительно меньшую тол- щину, чем бетонные. Их выполняют монолитными или сборно-монолитными, разрезными или неразрезными. В остальном эти диафрагмы проектируют так же, как бетонные. Асфальтобетонные диафрагмы представляют собой вертикальные или наклонные стенки из литого пластичного или уплотняемого мелкозернистого гидротехнического ас- фальтобетона. Иногда в диафрагму из литого асфальтобетона втапливают камни. Их объ- ём не должен превышать 30-40% от объема диафрагмы, размер камней не должен быть больше 0,3 толщины диафрагмы. Толщина асфальтобетонных диафрагм обычно составля- ет 0,02-0,03 от величины напора, но не менее 0,4-0,6 м. Плёночные диафрагмы (верти- кальные или наклонные) конструируют так же, как и плёночные экраны. Область приме- нения их та же, что и плёночных экранов. Металлические диафрагмы выполняют в виде металлического шпунтового ряда или в виде преграды, образованной сваренными листами стали. Такие диафрагмы для предохранения металла от коррозии покрывают окрасочной гидроизоляцией. Стыки (замки) между отдельными сваями шпунтовых диафрагм должны уплотняться. Инъекционные ядра создают путем нагнетания через систему буровых скважин в поровое пространство грунта специального уплотняющего материала различного состава (например, глиноцементный или глиносиликатный раствор). Плотины с диафрагмой не получили большого распространения из-за несовершенства конструк- ции: бетонная или железобетонная диафрагма обычно жестко заделывалась в основание плоти- ны, вследствие чего из-за податливости наброски диафрагма претерпевала большие напряжения [2]. Прогибы достигали больших размеров (например, 2,88 м на плотине Эйлдон, Австралия) и приводи- ли к образованию трещин с раскрытием швов, а иногда и к отрыву диафрагмы от основания или к её срезу (плотина Уэд Кебир, Тунис). Наибольшее признание получили диафрагмы с применением жесткого уплотняемого асфальтобетона, а рекомендуемыми к применению являются литые асфальтобетоны диа- фрагмы. Имеются примеры диафрагм из металла, а также из полимерной пленки. При сопоставлении противофильтрационных устройств типа грунтового экрана и ядра можно отметить следующее. Недостатки грунтового экрана в сравнении с ядром: на образование экрана всегда идет больше материала, так как длина линии откоса всегда больше высоты плотины, а толщина экрана и ядра примерно одинаковы; так как глинистый материал, из которого выполняется экран, имеет небольшую прочность, то при укладке экрана на поверхность откоса должна увеличиться пологость 79

этого откоса. Таким образом, плотина с экраном должна иметь более пологий верховой откос, чем плотина с ядром; экран не так удобно сопрягать с бетонной частью плотины или крутыми скальными берегами; верховую перемычку, под защитой которой отсыпается плотина, при наличии экрана не представляется возможным включить в тело плотины; экран более чувствителен к осадкам основания и тела плотины, нежели ядро. Достоинства грунтового экрана в сравнении с ядром: с точки зрения производства работ экран является более удобной конструкцией, чем ядро: фронт земляных работ по отсыпке самого тела плотины в случае плотины с ядром расчленяется на две части (верховой и низовой клин плотины); при наличии экрана можно устроить понур, что иногда бывает желательным; экран более доступен для ремонта; под экраном проще делать инъекционную завесу в основании; в случае плотины с экраном работы по сооружению зуба (завесы) и тела плотины можно вести одновременно. Помимо дренажа диафрагм и экранов выполняют ещё дренаж низового клина и ос- нования плотины. Дренаж низового клина земляной насыпной плотины устраивают почти всегда. Дренажные устройства тела земляной плотины создают с целью: организованного отвода воды, фильтрующейся через тело, основание и береговые примыкания плотины в нижний бьеф; предотвращения выхода фильтрационного потока на низовой откос и в зону, под- верженную промерзанию; снижения депрессионной поверхности для повышения устойчивости низового отко- са (внутренний дренаж); обеспечения устойчивости верхового откоса при быстрой сработке водохранилища; снятия порового давления, возникающего при сейсмических воздействиях; отвода воды, профильтровавшейся через экран или ядро плотины. В случае слабопроницаемого материала низовой призмы плотины и наличия низовой переходной зоны, отвод воды следует осуществлять специальным дренажным слоем на поверхности основания, соединённым с дренажом низовой призмы плотины. В высоких плотинах, выполняемых из суглинистого или супесчаного грунта, для ускорения консоли- дации и устранения влияния порового давления может быть предусмотрено устройство горизонтальных или вертикальных дрен в толще низовой и центральной частей тела пло- тины. Различают следующие представленные на рисунке основные типы дренажа низового клина плотины: дренажный банкет, наслонный, трубчатый и горизонтальный дренаж. Дренажный банкет создаётся наброской камня, диаметр которого и высота гребня банкета устанавливаются с учётом нагона воды и наката волн. По внутреннему откосу банкета обычно укладывают обратный фильтр – пористая среда из сыпучих зернистых песчано-гравелисто-галечных или иных пористых материалов. Например, пористый бе- тон, пористая ткань и другие материалы, подобранные в соответствии с установленными критериями, направленными на предотвращение выноса фильтрационным потоком или волной мелких частиц из защищаемого грунта плотины или её основания. При наличии в основании плотины несвязного мелкозернистого грунта и больших выходных скоростей фильтрации под дренажным банкетом также устраивают обратный фильтр (горизонтальный). Гребень банкета иногда покрывают слоем крупнообломочного грунта, чтобы защитить поровое пространство банкета от заиления его частицами грунта. Например, смываемыми дождевыми водами с поверхности низового откоса. Гребень бан- кета должен возвышаться над самым высоким уровнем воды нижнего бьефа на величину из расчёта ветрового нагона и наката ветровых волн, но не менее 0,5-1 м, при ширине не менее 1 м. 80

а) Дренажный банкет б) Наслонный дренаж в) Трубчатый дренаж г) Горизонтальный дренаж Рисунок 17 – Основные виды дренажей [33] Наслонный дренаж выполняют на участках плотины, перекрывающих затопляемую пойму, а также при отсутствии на месте строительства достаточного количества камня. Толщину наслонного дренажа с обратным фильтром назначают из условия производства работ. Материал наслонного дренажа должен сопрягаться с материалом обратного филь- тра и защищать низовой откос от волнового воздействия в нижнем бьефе, а в некоторых случаях и от промерзания. Превышение гребня наслонного дренажа над максимальным уровнем нижнего бьефа следует принимать, равно как и для дренажного банкета, с учетом высоты выклинивания фильтрационного потока на низовой откос плотины и глубины промерзания. Трубчатый дренаж применяют, как правило, на тех участках плотины, где в период её эксплуатации вода в нижнем бьефе отсутствует или присутствует кратковременно. Дренаж выполняется из бетонных или хризотилцементных труб (перфорированных) с за- деланными стыками, с обсыпкой обратным фильтром и уложенных с соответствующим уклоном. Сечение дренажных труб следует определять гидравлическими расчетами. Диа- метр дренажной трубы следует назначать в зависимости от величины сбрасываемого фильтрационного расхода, но не менее 200 мм. По длине трубчатого дренажа необходимо предусматривать смотровые колодцы и водовыпуски, располагаемые с учетом местности и требуемых уклонов. Выходы воды из водовыпусков должны быть защищены от промер- зания. Горизонтальный дренаж проектируют в виде сплошного дренажного слоя или от- дельных горизонтальных поперечных или продольных дренажных лент, выполняемых из крупнозернистого материала и защищаемых обратным фильтром. На основе рассмотренных основных видов дренажа создаются комбинированные ти- пы дренажа, схемы некоторые из них представлены в своде правил СП 39.13330.2012. 81

Выбор типа дренажа низового клина плотины осуществляют на основании технико- экономического сопоставления вариантов, при этом дополнительно учитывают следую- щее. Может иметь место два участка земляной плотины, перекрывающих реку: русловый участок с водой в нижнем бьефе и пойменный участок без воды в нижнем бьефе. Дренаж в виде банкета должен применяться в пределах русловой части плотины. Если высота дренажного банкета получается большой, то иногда переходят от дренажного банкета или к наслонному дренажу, или к сочетанию банкета с наслонным дренажом. Во всех этих случаях гребень дренажного устройства должен возвышаться над самым высоким уров- нем воды нижнего бьефа. Перечисленные типы дренажа, если стоимость материала служащего для их образо- вания невелика, могут устраиваться и в пределах пойменной части реки. Что касается трубчатого дренажа, то его следует устраивать в пределах пойменной части реки, если во- ды в нижнем бьефе непосредственно за этим дренажём нет. Отвод воды из дренажа в нижний бьеф делают в случае дренажного банкета или наслонного дренажа, причем величину расхода воды, профильтровавшейся через тело плотины, здесь измерить нельзя. Что касается трубчатого дренажа, то его укладывают по намеченной на плане трассе, причем из смотровых колодцев, устроенных по длине этого дренажа, делают выводы в виде поперечных труб. Такие выводы объединяют в нижнем бьефе одним коллектором, закрытым во избежание замерзания воды в нём зимой. Из кол- лектора вода сбрасывается в реку, в зимнее время – под лёд. На отдельных выводах и в устье коллектора следует устанавливать измерительные водосливы, чтобы контролировать величину фильтрационного расхода. Если на том или другом участке плотины расход начинает увеличиваться во времени (при постоянном уровне воды верхнего бьефа), то в этом месте происходит опасная суффозия, с которой необходимо бороться. Если не организовать соответствующий отвод воды, профильтро- вавшейся через плотину, то территория поймы будет заболачиваться, что недопустимо. При возведении земляной плотины на глинистом основании, насыщенном водой, вес строящейся плотины будет сжимать это основание и выжимать из него воду. Скорейший отвод этой воды желателен с точки зрения увеличения устойчивости откосов плотины. В этом случае иногда всё основание низового клина плотины (или часть его) покрывают се- тью горизонтальных дрен или сплошным дренажным слоем. Дополнительно в основании устраивают вертикальные песчаные дрены в виде буровых скважин, заполненных песком. Дренажи должны быть защищены обратным фильтром. Если основание плотины покрыто сверху сравнительно тонким слоем глины, подстилаемой песком, то в нижнем бьефе де- лают вертикальные дренажные колодцы. Для образования основной части тела земляной насыпной плотины пригодны все виды грунта, за исключением [2]: содержащих не полностью разложившиеся органические вещества (остатки расте- ний) в количестве более 5% по массе или полностью разложившиеся вещества, находящи- еся в аморфном состоянии, в количестве более 8% по массе; содержащих водорастворимые включения в виде солей хлоридных и сульфатнохло- ридных в количестве более 5% по массе или солей сульфатных в количестве более 2% по массе; впрочем, такого рода грунты могут укладываться в ту часть плотины, которая не подвергается воздействию фильтрующейся воды. Опасными грунтами являются: сыпучие суффозионные грунты – при фильтрации воды через эти грунты может происходить опасная внутренняя суффозия (вымывание мелких частиц водой); глинистые грунты, которые, во-первых, часто склонны к пучению в зимнее время и, во вторых, в насыщенном водой состоянии могут снижать свою прочность при быстром приложении к ним нагрузки. 82

Несмотря на указанные отрицательные свой- ства, суффозионные и глинистые грунты все же применяют для строительства плотин. При этом, в случае сыпучих суффозионных грунтов, строят плотину с водонепроницаемым экраном или ядром, что позволяет пресечь нежелатель- ную фильтрацию. При наличии глинистых грунтов их покрывают защитными слоями со- ответствующей толщины из песчаных или крупнообломочных грунтов, чтобы предотвра- тить промерзание глины, а откосы делают от- носительно пологими. Наилучшим грунтом для возведения земляных насыпных плотин считаются супес- чаные и суглинистые грунты, а также песок мелкий и средней крупности. Идеальным грунтом для возведения тела плотины является грунт, скелет которого образован крупны- ми частицами, а поры заполнены глиной. Такой грунт характеризуется относительно вы- соким углом внутреннего трения, отвечающим крупнозернистому грунту, и малым коэф- фициентом фильтрации, отвечающим глинистому грунту. Для возведения плотин обычно используют грунты, имеющиеся в достаточном ко- личестве в карьерах, находящихся возможно ближе к месту строительства и расположен- ных несколько выше этого места. При выборе карьеров грунта учитывают, что глинистые грунты нельзя укладывать в тело насыпной плотины в дождливую погоду, а также при весьма малых отрицательных температурах. Иногда приходится искусственно улучшать качество грунта, обогащая его теми или иными фракциями или отсеивая нежелательные фракции, просушивая глинистые грунты или увлажняя, чтобы ускорить строительство. При сооружении тела плотины из грунта разной проницаемости следует стремиться к тому, чтобы коэффициент фильтрации увеличивался по направлению течения грунтовой воды. Для образования грунтовых противофильтрационных устройств (экранов, понуров, ядер, зубьев) применяют преимущественно суглинистые грунты и глины. В некоторых случаях противофильтрационные устройства выполняют из так называемого глинобетона – искусственной смеси гравия (или щебня), песка и глины. Эту смесь готовят в таких про- порциях, при которых поры гравия (или щебня) оказываются полностью заполненными песком, а поры песка – глиной. Глинобетон обладает положительными свойствами глины (малой водопроницаемостью), песка и гравия (большой величиной угла внутреннего тре- ния). Кроме того, глинобетон является грунтом, мало склонным к пучению зимой. Необ- ходимо, однако, помнить, что стоимость глинобетона высока. На выбор того или другого типа насыпной плотины влияет много различных факто- ров, основными из которых являются: качество и количество грунтов, имеющихся на месте; расстояние от плотины до карьеров этих грунтов и их высотное положение; качество и количество грунтов, добываемых из близлежащих полезных выемок; характер геологического строения основания; климатические условия и др. При выборе типа земляной плотины дополнительно принимают во внимание следу- ющие факторы: роль противофильтрационных устройств, недостатки и достоинства экра- на в сравнении с ядром, условия сопряжения плотины с основанием; учитывают, напри- мер, что при возведении плотины в две или несколько очередей следует отдавать предпо- чтение однородной плотине или плотине с экраном и т.п. Только с учётом всех перечис- ленных условий может быть правильно выбран тип земляной плотины. Плотину отсыпают сухим и мокрым способом. 83

Для сухой отсыпки грунта используют уплотняющие механизмы и разработанные способы уплотнения грунта этими механизмами. При этом на практике широко распро- странены следующие приёмы уплотнения грунта в теле плотины: укатка – катками, транс- портными средствами, землеройнотранспортными машинами; трамбование – механиче- скими трамбовками, навесными плитами, трамбующими машинами; вибрирование – виб- рирующими плитами, глубинными вибраторами; комбинированные приёмы – виброкат- ками, скреперкатками и др. Мокрый способ отсыпки грунта является сравнительно новым. Вначале этот способ применялся только для отсыпки лёссовых грунтов, в дальнейшем его стали использовать и для отсыпки глинистых и обычных песчаных грунтов, иногда с примесью крупнообло- мочных грунтов и камня. Мокрый способ имеет следующие преимущества по сравнению с сухим: отпадает необходимость просушивать или увлажнять карьерный грунт до оптималь- ной влажности; обеспечивается размокание плотных комьев связного грунта, укладываемого в тело плотины; увеличивается длительность строительного сезона за счет возможности производ- ства работ во время выпадения атмосферных осадков, а также во время заморозков; получается большая плотность отсыпанного грунта, что особенно важно при выпол- нении глинистых противофильтрационных устройств. Производство работ по отсыпке грунта в воду осуществляют следующим образом. Плотину возводят горизонтальными слоями толщиной для глинистых грунтов до 1,5-2,0 м, для песчаных – до 4,0 м. Каждый намеченный горизонтальный слой грунта разбивают на карты (прямоугольные в плане), причём по границам карт сухим способом отсыпают дамбы высотой, равной примерно толщине слоя. Карту, намеченную к засыпке грунтом, предварительно заполняют водой (с помощью насосов). После этого ведут работы по от- сыпке грунта в карту согласно схеме. Вытесняемая грунтом из пруда карты вода сливается в соседнюю карту. Начальное уплотнение грунта обеспечивается автосамосвалами в про- цессе отсыпки подвезённого грунта, а также бульдозерами при выравнивании ими по- верхности отсыпанного слоя грунта. Какого-либо дополнительного уплотнения в данных условиях не производят. В настоящее время в мире возведено сухим и мокрым способом большое число пло- тин. Из наиболее высоких плотин с высотой более 200 м их общее число составляет почти 14%. В качестве примера на рисунке представлена насыпная однородная плотина Седер Блаф на реке Смоки Хилл, США. Плотина воздвигнута в 1951 году и имеет высоту 41 м. Рисунок 18 – Пример: насыпная плотина Седер Блаф на реке Смоки Хилл, США. Плотина воздвигнута в 1951 году и имеет высоту 41 м 84

Б. Земляные намывные плотины. Возводят методом гидромеханизации, которая предусматривает механизацию трех разных процессов: разработку грунта в карьере, которая осуществляется с помощью гидромониторов – особых брандспойтов (если карьеры находятся над водой) или землесосов (если карьеры находятся под водой); транспорт грунта из карьера в тело плотины. Здесь так называемая пульпа или гид- росмесь (механическая смесь воды и грунта) той или иной консистенции перемещается по напорным трубопроводам (с помощью особых насосов) или (реже) самотеком в открытых лотках; укладку (намыв) грунта в тело плотины. Намывные плотины в зависимости от грунтов тела плотины и способов возведения подразделяют на основные виды, указанные в таблице и представленные на рисунке. Таблица 13 – Основные виды намывных плотин [35] Вид плотины Грунты тела плотины Способ возведения плотины Однородная: а) с принудительно Пески, супеси, суглинки Двусторонний намыв с дамбами формируемыми откосами (в том числе лёссовидные) обвалования на откосах б) со свободно формируе- Односторонний намыв с дамбами мыми откосами (верховым Пески, гравийные (дресвяные) обвалования на низовом откосе; или обоими) центральный намыв без дамб обвалования Пионерный намыв с выпуском пульпы из Узкопрофильная Пески, гравийные (дресвяные) торца трубы и непрерывным устройством обвалования по откосам Неоднородная: Гравийные (дресвяные), галечни- Двусторонний намыв с дамбами в) с ядром ковые (щебенистые) с содержани- обвалования на откосах и отстойным ем песчаных и глинистых фракций прудом в центральной части плотины Гравийные (дресвяные), галечни- Двусторонний намыв с дамбами обвалова- ковые (щебенистые) или песчаные г) с центральной зоной ния на откосах и отстойным прудом в разнозернистые, содержащие мел- центральной части плотины козернистые фракции Комбинированная: д) с насыпным ядром из Гравийные (дресвяные), галечни- глинистого грунта и намыв- Двусторонний намыв без пруда ковые (щебенистые) или песчаные ными боковыми зонами е) с насыпными банкетами из горной массы и намыв- Гравийные (дресвяные), галечни- Двусторонний намыв без пруда ной однородной централь- ковые (щебенистые) или песчаные ной зоной При выборе конструкции плотины обычно стремятся к максимальному использова- нию естественных грунтов, не требующих сортировки при разработке карьера или выем- ки. Предпочтение отдаётся однородным песчаным плотинам, характеризуемым высокой технологичностью производства работ. Однородные песчаные плотины распластанного профиля со свободно формируемыми откосами применяют в случае залегания слабых грунтов в основании, необходимости уменьшения объёма крепления откосов, а также при намыве под воду. При проектировании плотин на слабых и заторфованных грунтах основания, обвод- нённых и заболоченных территориях, допускается не предусматривать полностью или ча- стично работы по удалению поверхностного слоя грунта основания и растительности при условии, что это не приведёт к нарушению устойчивости и фильтрационной прочности сооружения. 85

а) Плотина однородная с принудительно б) Плотина однородная со свободно формируемыми формируемыми откосами откосами (верховым или обоими) в) Неоднородная с ядром г) Неоднородная с центральной зоной д) Комбинированная с насыпным ядром е) Комбинированная с насыпными банкетами из глинистого грунта и намывными из горной массы и намывной однородной боковыми зонами центральной зоной Рисунок 19 – Виды намывных плотин [35] При возведении однородных плотин на слабых грунтовых основаниях обычно намывают уширенную нижнюю часть – «подушку», а верхнюю часть возводят после ста- билизации осадки «подушки». Неоднородные плотины проектируются при наличии соответствующих карьерных грунтов и при необходимости снижения фильтрационного расхода по сравнению с одно- родными плотинами, а также для уменьшения объёма тела плотины. При этом следует учитывать усложнение технологии производства работ по созданию ядра с заданными размерами, составом грунта и недопущением его перемыва крупным грунтом. Для обес- печения однородных свойств ядра заданного размера и исключения перемыва крупным грунтом допускается включать в проекты принудительное перемешивание грунта в пре- делах прудковой зоны ядра плотины. Намывные плотины с боковыми насыпными или каменно-набросными призмами применяют при условии использования высоких перемычек или камня из полезных вы- емок котлована. При проектировании плотин для сейсмических районов необходимо предусматривать устройство каменно-набросных призм и сейсмостойкого крепления от- косов. Намывной способ возведения плотины допускается совмещать с насыпным, когда, например, верховую призму плотины намывают из песка, а низовую из гравийно- галечникового грунта насыпают. 86

Намывные сооружения – земляные сооружения, в тело которых грунт подаётся и укладывается c помощью воды (намывом). C использованием средств гидромеханизации возводятся автодорожные и железнодорожные насыпи, отдельные площадки, гидроотва- лы, дамбы обвалования, плотины и др. Зa рубежом намывные сооружения начали широко применяться во второй половине XIX века. Одним из первых отечественных намыв- ных сооружений является намывная площад- ка Биби-Эйбатской бухты y города Баку. B CCCP намывные сооружения используются c 30-x годов прошлого столетия в связи c раз- витием гидротехнического строительства. Этим способом возведены все плотины волж- ских ГЭС, плотина Цимлянской ГЭС на реке Дон, плотина Мингечевирской ГЭС на pеке Kypе и другие сооружения. Намывными сооружениями являются также плотина для создания водоёма на балке Развилина y Байдаковского угольного разреза, территории и оградительные дамбы y Томь-Усинских разрезов, намытые при строительстве города Междуреченск. Наиболее ответственными гидротехническими объектами являются плотины и дамбы, возводимые для поддержания напора воды. Механизм намыва почти всех намывных сооружений заключается в том, что в зоне, ближайшей к выпуску гидросмеси, откладываются наиболее крупные частицы грунта. По мере растекания потока по намываемой поверхности и уменьшения скорости его движе- ния происходит выпадение всё более мелких частиц грунта, причём наименьшие из них попадают в прудок-отстойник, a некоторые уносятся вместе со сбросной водой. Такая раскладка грунта обеспечивает наибольшую прочность откоса сооружения. а) Двухсторонний намыв плотины б) Односторонний намыв плотины Рисунок 20 – Основные схемы возведения намывных плотин Для возведения намывных сооружений применяют два вида намыва – двухсторон- ний и односторонний. При двухстороннем намыве пульповоды, по которым подаётся гид- росмесь, прокладывают вдоль верхового и низового откосов плотины (дамбы); гидросмесь поступает от откосов к центру плотины, где образуется прудок-отстойник. Откосы фор- мируются в результате возведения из намываемого грунта дамб обваловывания. При од- ностороннем намыве пульповод укладывается y одного откоса плотины. Этот откос обра- зуется, как и в первом случае. Другой откос, весьма пологий, формируется при свободном растекании гидросмеси. Основные способы возведения – безэстакадный (наиболее совершенный) и эстакад- ный. Реже используют другие способы намыва, являющиеся модификациями двух пер- вых. При безэстакадном способе намыва пульповод укладывается непосредственно по грунту и гидросмесь выпускается из торца трубы. Пульповод наращивается без прекраще- 87

ния подачи гидросмеси. Данный способ наиболее механизирован и экономичен. При эста- кадном намыве пульповод укладывается на эстакадах и гидросмесь на намываемую по- верхность поступает из отверстий-выпусков, расположенных вдоль пульповода. Отработанная вода из пруда-отстойника отводится через водосбросные колодцы или откачивается насосными установками. Намывные сооружения являются более экономич- ными и прочными по сравнению c насыпными земляными сооружениями. В качестве примера на рисунке представлена намывная плотина Мингечевирской ГЭС, воздвигнутая в 1954 году на реке Куре в Азербайджане. Рисунок 21 – Пример: плотина Мингечевирской ГЭС на реке Кура в Азербайджане; воздвигнута в 1951 году, высота – 80 м, длина – 1550 м В. Каменно-земляные плотины. Занимают одно из ведущих мест среди высоких и сверхвысоких сооружений в мировом плотиностроении. Особенно интерес к ним наме- тился в 50-60-е годы прошлого века, когда было начато и осуществлено строительство та- ких плотин, как Оровилл (Канада) высотой 220 м, Нурекская (Таджикистан) – 300 м, Чар- вакская (Узбекистан) – 168 м, Гепач (Австрия) – 150 м, Инфернильо (Мексика) – 140 м и других плотин. Столь значительный интерес к строительству каменно-земляных плотин объясняется следующими факторами: бурным развитием землеройной техники, созданием самосвалов грузоподъемностью до 180 тонн и, как следствие, снижением стоимости зе- мельноскальных работ; полной механизацией всего технологического цикла по возведе- нию плотины; использованием грунтов из полезных выемок и развитием некоторых раз- делов механики грунтов, главным образом, нарушенной структуры. Каменно-земляные плотины самые надежные и простые в эксплуатации плотины. Их строят в районах с тя- желейшими сейсмическими и климатическими условиями. Каменно-земляные плотины по конструкции классифицируют на плотины с грунто- вым экраном, грунтовым ядром (вертикальным или наклонным); верховой грунтовой призмой и центральной грунтовой призмой [35]. Главнейшей особенностью каменно-земляных плотин является сопряжение их зем- ляной части с каменно-набросной. В месте этого сопряжения создают особый конструк- тивный элемент тела плотины в виде переходного слоя (зоны), который обычно выполня- ется из песчаного крупнообломочного грунта (карьерного или обогащённого). Переходный слой имеет то же назначение, что и обратный фильтр; он препятствует просыпанию (под действием силы тяжести) сухого мелкозернистого грунта в поры круп- нозернистого грунта или камня. Переходный слой (одно, двух или трехслойный) может иметь большую толщину, чем обратный фильтр, поэтому его зерновой состав подбирают обычно с меньшей точностью. Роль ядра и экрана каменно-земляных плотин принципиально отличается от роли этих элементов в земляных плотинах, в которых ядро (или экран) является только вспомо- гательным фильтрационным элементом. Ядро или экран каменно-земляных плотин пред- ставляют собой противофильтрационные элементы. В связи с этим поперечные размеры 88

(толщина) ядер и экранов в случае каменно-земляных плотин должны быть значительно больше, чем в случае земляных плотин. а) Плотина с грунтовым экраном б) Плотина с грунтовым ядром (вертикальным или наклонным) в) Плотина с верховой грунтовой призмой г) Плотина с центральной грунтовой призмой Рисунок 22 – Виды каменно-земляных плотин [35] Переходные зоны сооружают путем отсыпки грунта и его уплотнения. Грунт для об- разования переходных зон должен удовлетворять тем же требованиям, что и грунт для насыпных земляных плотин. Зерновой состав отдельных слоёв переходных зон назначают так же, как и состав слоёв обратного фильтра. При наличии соответствующих карьерных грунтов или возможности их обогащения (за счет удаления избыточных фракций или до- бавления недостающих) всегда следует отдавать предпочтение однослойной переходной зоне перед многослойной зоной. Поперечные размеры переходных зон (их общая толщина и толщина отдельных слоёв) должны назначаться с учетом производственных условий (ширины катков и т.п.), а также с учётом возможных деформаций этих зон в процессе экс- плуатации плотины. Переходные зоны (или обратные фильтры) необходимо устраивать с обеих сторон ядра и грунтового экрана. Для тела каменно-земляных плотин используют самые разнообразные материалы. Ядра и экраны можно выполнять из любых маловодопроницаемых грунтов (от песка до глин). Наибольшее распространение получили суглинки и супеси. Пески и глины исполь- зуют редко. Если пески редко используют из-за сравнительно высокой водопроницаемо- сти, то глины – из-за сложности достижения требуемой плотности, их вязкости и комкова- тости. Обычно материал ядра укладывают при послойном уплотнении. Толщина слоев (20-40 см) зависит от свойств материала и используемого при укатке оборудования. В последнее время широкое распространение для возведения ядер и экранов полу- чили связные грунты с крупнозернистыми включениями. К этой категории относятся ще- бенисто-дресвяные и гравийно-галечниковые грунты с содержанием мелкозернистой фракции (d<5 мм), более 42%. При возведении противофильтрационных устройств камен- но-земляных плотин (особенно ядер) отдают предпочтение этим грунтам в силу их мень- 89

шей деформируемости по сравнению с «чистыми» мелкозернистыми грунтами. Сжимае- мость таких материалов обычно меньше на число процентов крупнозернистых включений. При всех положительных качествах такой грунт имеет недостаток: в его составе могут быть фракции недопустимых размеров. В этом случае для получения грунта требуемого гранулометрического состава грунт потребуется переработать, что удорожает и удлиняет срок строительства. Горная масса, получаемая разработкой скального грунта взрывным способом, может укладываться в тело плотины по-разному: отсыпкой слоями 13 м с уплотнением; отсып- кой большими слоями (10-70 м) без уплотнения катками, но с промывкой гидромонито- ром. Уплотнение камня при послойной отсыпке осуществляется виброкатками, иногда гружёными самосвалами и тракторами. При уплотнении укаткой обычно производят увлажнение. Использование виброкатков наиболее целесообразно. Их действие распро- страняется на глубину до 6 м. Абсолютное значение достигаемой плотности во многом зависит от гранулометрического состава горной массы. В период укладки смачивание камня целесообразно производить с целью получения эффекта просадки камня от увлаж- нения уже в строительный период. Свойства просадки характерны для крупнозернистого материала, особенно для горной массы. Просадку гравийно-галечникового грунта или горной массы от замочки не следует путать с просадкой лёссовых грунтов или других просадочных мелкозернистых грунтов в силу различия физических процессов протекаю- щих в крупнообломочных и мелкозернистых грунтах. Примером каменно-земельных плотин с грун- товым экраном является плотина Ириклинской ГЭС, воздвигнутая на реке Урал в Оренбургской области, у посёлка Ириклинский. В состав постро- енной ГЭС входят: каменно-земельная плотина, бетонная водосливная плотина высотой 43 м и здание ГЭС. Кроме экрана из лёссовидного су- глинка у плотины также имеется длинный понур, который также как и экран отсыпался в воду. Переходные зоны плотины выполнены из песочно-гравийного грунта, каменная наброска представляет собой горную массу из полезных выемок. Целью создания Ириклинского гидроузла было регулирование стока реки Урал для обеспечения гарантированного водоснабжения промышленных предприятий и населён- ных пунктов. В связи с заполнением водохранилища на новые места были перемещены 22 населённых пункта. Водохранилище является крупнейшим водоёмом Южного Урала. Строительство гидроузла началось в 1949 году и велось в трудных условиях, при не- хватке техники. Агрегаты ГЭС были пущены в 1958 году. Заполнение водохранилища началось 17 апреля 1958 года и завершилось 8 мая 1966 года. После заполнения чаши вода вплотную подошла к обрывистым скалам бортов долины, которые представляли собой холмисто-степные склоны. Стала формироваться береговая линия с прибойной полосой, протянувшаяся на 415 км. Примером каменно-земельной плотины с наклонным ядром является плотина Оро- вилль на реке Февер, в США. Плотина входит в двадцатку самых высоких плотин мира, является самой высокой плотиной США и имеет высоту 235 метров. Строительство пло- тины начато в 1961 году, возведение завершено в 1967 году, а весь проект был выполнен в 1968 году. Плотина проектировалась с учётом возможных сильных землетрясений в реги- оне Центральной долины; она образовала второе по величине искусственное озеро в Ка- лифорнии, способное хранить до 4,4 км3 воды. Водохранилище позволило в 2014 году смягчить одну из самых сильных засух в Ка- лифорнии за последние 100 лет. 90

Верховые и низовые призмы плотины Оровилль выполнены из смеси песка, гравия, гальки и бу- лыжника диаметром до 0,5 метра; переходные зо- ны – из отсортированной смеси пылевых частиц, песка, гравия и булыжника диаметром до 0,37 мет- ра; ядро – из смеси глины, пылевых частиц, гравия и булыжника диаметром до 0,07 метра. Плотина возведена на метаморфозной мелко- зернистой кристаллической скальной породе, укреплённой бетонным массивом и противофиль- трационной завесой. Отношение ширины ядра плотины Оровилль к её высоте составляет величину при- мерно равную 0,25. Следует отметить, что в ряде публикаций ядра плотин по своей толщине подразде- ляются на тонкие и массивные [31]. Тонкими называются ядра, у которых наибольшее от- ношение ширины к высоте меньше или равно 0,5 (например, ядро плотины Оровилль), у массивных ядер отношение больше 0,5. В последнем случае плотины с массивными ядра- ми также классифицируются как плотины с центральной малопроницаемой призмой. Например, каменно-земельная плотина Глобочица на реке Чёрный Дрин, вытекающей из Орхидского озера у македонского города Струга и сливающейся с Белым Дрином, близ албанского города Кукес, образуя реку Дрин. Наиболее тонкие ядра имеют плотины Зиль- венштейн и Инфернильо, а наиболее массивное – плотина Тринити. Рисунок 23 – Каменно-земляная плотина Глобочица с центральной малопроницаемой призмой Примером каменно-земляной плотины с верховой маловодопроницаемой призмой является плотина Маттмарк на реке Засзер-Виспе, Швейцария, высотой 115 метра, 1966 г. Плотина возведена на грунтах, представленных речной галькой с крупнопесчаным заполнителем, отдельные участки в виде линз из мелко- и средне- зернистого песка. Работы по цементации основа- ния показали, что крупнозернистый грунт интен- сивно уплотняется инъектированием глиноце- ментного раствора, а для мелко- и среднепесчаных линз требуется применение более тонких смесей – бентонитовых с химическими коллоидными до- бавками (бентонито-фосфатный раствор). 91

Верховая маловодопроницаемая призма плотины Маттмарк выполнена из морены – геологическое тело, сложенное ледниковыми отложениями, под которой образована про- тивофильтрационная завеса глубиной до 100 метров. Крепление верховой призмы выпол- нено крупным камнем, под которым уложен двухслойный обратный фильтр. Низовая призма выполнена также из морены, но проложена горизонтальными слоями из дренаж- ных тюфяков. В основании низовой призмы находятся озерные и ледниковые отложения, а в осно- вании всей плотины – аллювий и морена на скале. Аллювий [от лат. alluviō - нанос, намыв] – несцементированные отложения постоянных водных потоков (рек, ручьев), со- стоящие из обломков различной степени обкатаности и размеров (валун, галька, гравий, песок, суглинок, глина). Противофильтрационная завеса проходи через основание насквозь до скалы. Между верховой и низовой призмами уложен обратный фильтр. Г. Каменно-набросные плотины. Различают следующие основные типы плотин каменной наброски: каменно-набросные плотины с экраном (из негрунтовых материалов), каменно-набросные плотины с диафрагмой. в) Плотина каменно-набросная с экраном г) Плотина каменно-набросная с диафрагмой Рисунок 24 – Каменно-набросных плотин Каменную наброску в настоящее время выполняют или высокими ярусами (высотой до 10 м) из крупного камня, набрасываемого пионерным способом из самосвалов и уплот- няемого струей воды из гидромонитора, или тонкими слоями (высотой 1,5-2,5 м) из отно- сительно мелкого камня или крупно обломочного грунта, набрасываемого пионерным способом (из самосвалов) и уплотняемого гидромониторами и мощными виброкатками. Противофильтрационными устройствами каменно-набросных плотин являются негрунтовые диафрагмы и экраны. Диафрагмы каменно-набросных плотин могут быть выполнены из бетона, железобетона, асфальтобетона, металла и полимера; экраны – из железобетона (редко бетона), асфальтобетона, дерево-битума и металла. Экран должен быть водонепроницаем, а также обладать достаточной прочностью и гибкостью, чтобы он мог легко приспосабливаться к деформациям тела плотины, не теряя при этом своей водонепроницаемости. Сопряжение негрунтового экрана с основанием осуществляют с помощью бетонного (иногда армированного) зуба, в котором в случае высоких плотин может быть устроена потерна, служащая для создания и (при необходи- мости) периодического восстановления инъекционной завесы в основании крупнообло- мочною грунта или мелкого камня. Подэкрановый выравнивающий слой в виде сухой кладки выполняют из относительно крупных камней. Внешнюю поверхность его вырав- нивают тонким слоем бетонной смеси (до 15- 20 см). Подэкрановый выравнивающий слой из крупнообломочного грунта или мелкого камня имеет толщину в зависимости от условий производства работ (не менее 3 м по го- 92

ризонтали, чтобы на горизонтальной поверхности этого слоя при его возведении мог рас- положиться каток). Данный слой должен тщательно уплотняться. Подэкрановый слой из крупнообломочного грунта более экономичен, чем из сухой кладки. Однако в случае крупнообломочного грунта верховой откос плотины приходится делать более пологим и, следовательно, увеличивать объём плотины. В настоящее время наиболее распространены однослойные и многослойные железо- бетонные экраны, которые выполняются в виде железобетонных плит, бетонируемых на месте (на поверхности подэкранового выравнивающего слоя). Асфальтобетон укладывают на подэкрановую кладку и сверху защищают покрытием из плит пористого бетона. Дере- во-битумные экраны выполняют из деревянных брусьев, заделываемых в подэкрановую кладку по линии наибольшего ската верхового откоса. По этим брусьям в горизонтальном направлении в несколько слоев настилают доски толщиной 6-7 см. В каждом слое доски кладут вразбежку, чтобы при их набухании не произошло пучения экрана. Между слоями досок прокладывают битумные маты. Доски и брусья во избежание их гниения предвари- тельно антисептируются. Металлические экраны выполняют из листов стали толщиной 6- 10 мм, укладываемых непосредственно на цементную подготовку толщиной 5 см, нане- сённую на подэкрановую кладку. В отдельных местах стальные листы, сваренные между собой, прикрепляют к подэкрановой кладке анкерными болтами. Металлические экраны отличаются большой гибкостью. Примером каменно-набросной плотины с железобетонным экраном является плоти- на Сан-Габриэл №2 на реке Сан-Габриэл, США, 1937 год. Экран плотины выполнен из многослойного железобетона, уложенного на слои подэкранной сухой кладки и бетонной подготовки. Тело плотины из каменной наброски высотой до 78 метров. Рисунок 25 – Каменно-набросная плотина с железобетонным экраном Сан-Габриэл №2 При выборе типа каменно-набросной плотины с экраном или диафрагмой необходи- мо учитывать положительные и отрицательные стороны этих конструкций. Достоинствами каменно-набросных плотин с диафрагмой по сравнению каменно- набросными плотинами, имеющими экраном, являются: относительно хорошая защищён- ность диафрагмы телом плотины, экономия строительного материала и малая зависит от вертикальных деформаций тела плотины. Недостатки каменно-набросных плотин с диафрагмой также очевидны: меньше устойчивость плотины на сдвиг и выше статистическая неопределённость работы проти- вофильтрационной защиты плотины, жёсткость технологического графика выполнения работ, сложность с наращиванием плотины и принятия напора на недостроенную плоти- ну, в чём иногда возникает необходимость (при постройке диафрагмы требуется отсыпка большого количества камня). 93

3.2. Плотины бетонные и железобетонные Бетонные плотины обычно классифицируются по конструктивному признаку в зави- симости от условий работы на сдвиг – в сопротивлении материалов, деформация упругого тела, характеризующаяся взаимным смещением параллельных слоев (волокон) материала под действием приложенных сил при неизменном расстоянии между слоями. Основные виды бетонных и железобетонных плотин представлены в таблице. Таблица 14 – Основные виды бетонных и железобетонных плотин [36] Отличительные Основные виды плотин признаки плотин Гравитационные: массивные, с наклонной напорной гранью; с расширенными швами; с продольной полостью у основания; со ступенчатой низовой гранью. Контрфорсные: с массивными оголовками контрфорсов (массивно-контрфорсные); По конструкции с арочными напорными перекрытиями (многоарочные); с плоскими напорными перекрытиями. Арочные и арочно-гравитационные: с защемленными пятами; с контурным (периметральным) швом; из трехшарнирных поясов; с гравитационными устоями. Глухие. Станционные. Водосбросные: По технологическому с поверхностными водосливами; назначению с глубинными водосбросами; многоярусные (с поверхностными водосливами и с глубинными водосбросами). Вид возводимой бетонной или железобетонной плотины выбирается в зависимости от топографических, инженерно-геологических и климатических условий с учётом сей- смичности района, компоновки гидроузла, намечаемых способов и сроков строительных работ, наличия местных строительных материалов и условий эксплуатации плотины на основании технико-экономических показателей вариантов, принимая во внимание также экологические и социальные требования. Например, на скальных основаниях в условиях широких створов, при lch / h ≥ 10, где lch – ширина ущелья по хорде на уровне гребня пло- тины, h – высота плотины, проектируют бетонные гравитационные и контрфорсные пло- тины; в условиях узких створов lch / h ≤ 5 – предпочтение отдаётся арочным и арочно- гравитационным плотинам. Если 5 ˂ lch / h ˂ 10 могут рассматриваться бетонные плотины разных видов: гравитационные, контрфорсные, арочно-гравитационные и арочные. Высо- та плотины определяется по разности отметок гребня (исключая парапет) и подошвы со- оружения под верховой гранью, без учета местных заглублений в основании забетониро- ванных крупных трещин, пробок, служащих основанием расположенной на них плотины. Гравитационные плотины давление от масс воды воспринимают своей массой, со- противление сдвигу происходит за счёт сил трения или сцепления подошвы плотины по основанию. Вследствие этого гравитационные плотины имеют массивный вид, чаще близ- кое к трапецевидному сечение в поперечнике. Арочные плотины давление от масс воды передают на берега ущелья (реже – на ис- кусственные устои), поэтому такие плотины чаще возводятся в горной местности, где бе- рега сложены прочными породами. Часть нагрузок арочная конструкция передаёт на ос- нование. При этом, чем шире арка, тем больше давление на основание. Это требует увели- 94

чения ширины плотины в нижней части и приводит к появлению арочно-гравитационных плотин, которые совмещают в себе свойства арочных и гравитационных плотин. Арочные плотины с контрфорсами в нижней части арки называют арочно- контрфорсными. В них работа арки ограничивается верхней частью, что позволяет приме- нять арочные плотины в более широком диапазоне мест расположения. Контрфорс [фр. contre force - противодействующая сила] – вертикальная конструк- ция, представляющая собой либо выступающую часть стены, вертикальное ребро, либо отдельно стоящую опору, связанную со стеной аркбутаном. Контрфорсные плотины позволяют уменьшить массу тела плотины, её размеры за счёт более эффективной расчётной схемы. Стена в контрфорсной плотине более тонкая, чем в гравитационной плотине, благодаря её усилению с низовой стороны подпорными конструкциями (контрфорсами). Для возведения бетонных и железобетонных плотин используются следующие ви- ды конструкций из бетона, железа и стали: бетонная конструкция – конструкция, выполненная из бетона без арматуры или с небольшим количеством арматуры, установленной по конструктивным соображениям; расчетные усилия от собственного веса и внешних нагрузок и воздействий в бетонной конструкции воспринимаются бетоном; железобетонная конструкция – конструкция, выполненная из бетона и рабочей стальной арматуры; расчётные усилия от собственного веса и внешних нагрузок и воз- действий в конструкции воспринимаются бетоном и рабочей арматурой; сталежелезобетонная конструкция – конструкция, выполненная из бетона, рабочей стержневой арматуры и рабочей арматуры из листового проката; расчетные усилия от собственного веса и внешних нагрузок и воздействий в сталежелезобетонной конструк- ции воспринимаются бетоном и рабочей стержневой и листовой арматурой; сталебетонная конструкция – конструкция, выполненная из бетона и внешней ра- бочей арматуры из листового проката; расчетные усилия от собственного веса и внеш- них нагрузок и воздействий в конструкции воспринимаются бетоном и листовой арма- турой. А. Гравитационные плотины. Широко распространены во всём мире благодаря простоте конструкции и способа возведения, надежности при любой высоте и в любых природных условиях, в том числе и суровых зимних. Название своё «гравитационные» эти плотины получили от слова gravitas, что значит «тяжесть», потому что действию на них основных сил горизонтального давления воды они сопротивляются благодаря своему ве- су, создающему силы сопротивления сдвигу по основанию. Конструктивно гравитацион- ные плотины представляют собой бетонные стены глухие или водосбросные, допускаю- щие через них пропуск воды. Самой высокой гравитационной плотиной в мире, построенной на скальном основании, явля- ется плотина Гранд-Диксенс, в Швейцарии. Плотина формирует водохранилище Диксна на реке Диксенс объёмом 0,4 км³ и глубиной 284 м. Гранд Диксенс представляет собой бетонную гравитационную дамбу высотой 285 м и длиной 700 м. Ширина плотины в основании составляет 200 м, по гребню – 15 м. Конструкция дамбы об- разована 6 млн. м³ бетона. При постройке плотины в фундаменте и местах её сопряжения со стенами ущелья производились дополнительные работы по гидроизоляции, глубина изолирующего слоя в основании достигает 200 м и по боковым склонам – 100 м. Возведение дамбы было начато в 1950 году и закончено в 1964, за год до официального окончания строительства. 95

Бурейская ГЭС, расположенная на реке Бу- рее, в Амурской области у посёлка Талакан. Напорный фронт гидроэлектростанции образу- ет бетонная гравитационная плотина длиной 744 м и высотой 140 м. Плотина состоит из во- досливной части длиной 180 м, станционной части длиной 144 м, левобережной глухой ча- сти длиной 195 м и правобережной глухой ча- сти длиной 225 м. Шлюз отсутствует. Начало строительства – 1978 год, ввод в эксплуатацию агрегатов ГЭС – 2003-2007 годы. Плотина разделена радиальными температурно-осадочными швами через 12-15 м и сложена из трёх видов бетона: верхняя часть – из высококачественного вибрированного бетона, центральная часть – из укатываемого бетона, а низовая грань – из вибрированного морозостойкого бетона. Укатываемый бетон получают из жёсткой бетонной смеси, уплот- няемой укаткой (катками). В качестве основного противофильтрационного элемента предусмотрена глубокая цементная завеса по оси плотины в сочетании с дренажом низо- вой части основания. В общей сложности, в плотину было уложено 3,5 млн. м³ бетона, из них 1,0 млн. м³ укатываемого бетона. Использование такого профиля является отличи- тельной особенностью конструкции плотины Бурейской ГЭС по сравнению с другими гравитационными плотинами, построенными в СССР и современной России. Гравитационные бетонные плотины могут быть глухими (не пропускающими воду) и водосбросными, воздвигаются на нескальных и скальных основаниях Водосбросные плотины на нескальных основаниях входят в состав практически всех равнинных гидроузлов на многоводных реках. Их основные плотины – земляные, но сбра- сывать излишки воды через них нельзя, размоет. Поэтому строятся специальные водо- сбросные бетонные плотины, в ряде случаев весьма внушительных размеров, высотой до 40-50 м. Особенностью плотин этого типа является «распластанный» профиль, с развиты- ми противофильтрациоными устройствами. В целях экономии бетона, плотины часто об- легчают устройством внутренних полостей либо совмещением водосбросной плотины со зданием ГЭС. Гравитационные бетонные плотины на скальных основаниях куда больше и масштабнее, возводятся на равнинных (в случае наличия соответствующих грунтов) и на горных реках, достигают высоты 200 метров и более. К скальным породам относятся изверженные, метаморфические и осадочные поро- ды, обладающие пределом прочности при сжатии в водонасыщенном состоянии не менее 50 кг/см2. Поверхность скалы, на которую укладывается бетон, должна быть здоровой, без трещин. С этой целью последние 0,5-0,8 м выемки скалы удаляют вручную. Сильнотре- щиноватые зоны основания цементируют. Глубина скважин составляет 5-15 м. Цемента- ция – наиболее эффективное и распространённое средство упрочнения и уплотнения скальных пород. Перед укладкой бетона основание очищают струей воды, металлически- ми щетками, иногда сжатым воздухом. Гравитационные плотины характеризуются тем, что их устойчивость против сдвига от давления воды обеспечивается в основном силами трения между плотиной и её основа- нием, что требует большого веса плотины. Поэтому бетонные гравитационные плотины строятся массивными. В целях экономии цемента и уменьшения объёма бетонные плоти- ны часто заменяются облегчёнными конструкциями с расширенными швами и полостями у основания, снижающими фильтрационное давление на подошву плотины, улучшающи- ми использование свойств бетона и термический режим плотины. Также используют ан- керные крепления в основании плотины и конструкциями, в которых бетон внутренних зон заменён камнем или грунтом. Наряду с этим стремятся уменьшить расход цемента и его стоимость путем зональ- ного распределения бетона в теле плотины, применения низкомарочного бетона, крупного 96

заполнителя (камня), жесткого (укатываемого) бетона, экранирования напорной грани и т.д. При возведении гравитационных плотин применяют также сборные конструкции: пу- стотелые блоки с последующим заполнением их бетоном или грунтом, армопанельные конструкции и др. Наметился переход к тонкостенным железобетонным гравитационным плотинам. Поперечный профиль глухой гравитационной плотины представляет собой тре- угольник с вершиной выше отметки нормального подпорного уровня (НПУ) и с надстрой- кой верхней части для образования гребня шириной не менее 3,5-4,0 м. Возвышение греб- ня над наивысшим уровнем верхнего бьефа устанавливается с учетом высоты волны и ветрового нагона. Верховая грань глухой плотины обычно вертикальна, иногда с неболь- шим наклоном, низовая грань всегда наклонна. На скальных основаниях отношение ши- рины подошвы к высоте плотины составляет 0,7-0,8, на нескальных основаниях – 1-2. В водосливных плотинах практического профиля низовая грань очерчивается в со- ответствии с гидравлическими требованиями; на нескальных грунтах верховую грань де- лают наклонной для повышения устойчивости плотины на сдвиг. Иногда, например, на Пермской плотине, внутри тела плотины встраивается здание ГЭС. Внутри тела плотины устраивают продольные горизонтальные галереи (в высоких плотинах в несколько ярусов – через 15- 30 м по высоте) для сбора и отвода фильтрацион- ной воды, осмотра состояния плотины, цементации бетонной кладки, сообщения между берегами, закладки и наблюдений по контрольно-измерительной аппаратуре. Продольные галереи располагают на расстоянии не менее 2-2,5 м от верховой грани плотины. Филь- трационную воду из галереи в нижний бьеф отводят самотеком или откачивают. Для пе- рехвата и отвода воды, профильтровавшейся через тело плотины и швы, вдоль верховой грани устраивают дренаж в виде вертикальных скважин или шахт, выходящих в продоль- ные галереи. Во избежание образования трещин в результате температурных деформаций бетона или неравномерных осадок плотину разрезают по длине на отдельные секции поперечны- ми вертикальными швами шириной до 10 мм. Швы делают сквозными до основания и не- сквозными – в виде надрезов на глубину 4-6 м. Расстояние между швами от 9 до 20 м. Швы имеют уплотняющие, противофильтрационные, дренажные и контрольные устрой- ства. Чаще всего плотины строятся разрезными, но в последнее время проектируются ино- гда плотины неразрезной конструкции (бесшовные), в которых швы, образованные в про- цессе строительства, омоноличиваются на период эксплуатации. Для уменьшения трещинообразования применяют бетоны с возможно меньшим со- держанием цемента, бетоны на низкотермичных цементах и др. Для предохранения тела бетонной плотины от выветривания, агрессивного воздействия, чрезмерной фильтрации воды, истирания пр. проводят защитные мероприятия. На напорной грани укладывается слой особо плотного (водонепроницаемого) бетона толщиной 2-3 м, а на низовой – слой специально подобранного морозостойкого бетона; подошву сооружения выполняют из водонепроницаемого и не подверженного коррозии бетона. Кроме того, иногда напорную грань плотины покрывают торкретной штукатуркой на металлической сетке, специальны- ми облицовочными бетонными блоками, железобетонными плитами-оболочками, окра- шивают битумом и пр. Низовую грань водосливной бетонной плотины защищают от ис- тирания наносами сталебетоном или пластбетоном, гранитом и др. Штукатурка торкретная [от лат. tor - штукатурка + cret - уплотнённый] – специаль- ная штукатурка высокой плотности из цементной растворной смеси, наносимой под дав- лением сжатого воздуха через сопло на обрабатываемую поверхность. В бетонных плотинах на скальном основании у верховой части основания плотины устраивают противофильтрационную завесу для снятия или уменьшения давления филь- трационного потока на подошву сооружения, ослабления или предотвращения механиче- ской и химической суффозии грунтов основания и уменьшения фильтрационного расхода. 97

В плотинах на нескальном основании противофильтрационные мероприятия реализуются созданием соответствующего подземного контура. Суффозия [от лат. suffosio - подкапывание] – вынос мелких минеральных частиц по- роды фильтрующейся через неё водой. Гравитационные бетонные плотины, несмотря на ряд серьезных недостатков (боль- шой расход бетона, высокая стоимость и др.), до сих пор широко применяются и являются одними из самых надёжных гидротехнических сооружений. Ожидается, что гравитацион- ные массивные бетонные плотины будут постепенно вытесняться более прогрессивными тонкостенными конструкциями, особенно из сборного и предварительно напряженного железобетона. Глухие гравитационные бетонные плотины успешно заменяются земляны- ми и каменно-набросными плотинами. Основные виды гравитационных плотин представ- лены на рисунке. а) Плотина массивная, с наклонной напорной гранью б) Плотина с расширенными швами в) Плотина с продольной полостью у основания г) Плотина со ступенчатой низовой гранью Рисунок 26 – Основные виды гравитационных плотин [36] 98

Помимо представленных на рисунке основных видов глухих гравитационных плотин существует много других, используемых в практике редко или ещё не нашедших себе применения, но являющихся перспективными. Среди них: заанкеренные, с предваритель- ным напряжением бетонной кладки анкерами (тяжами), заделанными в основание плоти- ны; плотины, бетон внутренней зоны которых заменён камнем или песком; раздельно или поэтапно бетонируемые, в связи с чем создаётся относительно выгодное напряженное со- стояние тела плотины и т.д. Гравитационные плотины могут бетонироваться разными методами: отдельными блоками (столбчатая разрезка), разделёнными строительными швами, с последующим их омоноличиванием; длинными секционными блоками. В последнее время широко приме- няемой технологии укатанного бетона с бетонированием слоями (толщиной 25-50 см) при уплотнении бетона катками (вместо вибрирования), как на плотинах из грунтовых мате- риалов. Такая технология, получившая самое широкое распространение при строитель- стве гравитационных массивных плотин, позволяет улучшить условия охлаждения бетона, разогретого (экзотермия) в процессе возведения, упростить производство работ, сократить их сроки и стоимость. В качестве примера представлен разрез гравитационной плотины Братской ГЭС, строительство которой было закончено в 1967 году. Плотина имеет максимальную высоту 124,5 м и длину 924 м: станционная часть – 515 м, водосливная часть – 242 м и глухие ча- сти общей длиной 167 м. Рисунок 27 – Поперечный разрез водосливной гравитационная плотина Братской ГЭС Б. Арочные плотины. Давление от масс воды передаётся на берега ущелья, реже – на искусственно построенные устои, поэтому арочные плотины чаще всего возводят в горной местности, где берега сложены прочными породами. Например, скальными поро- дами – изверженные, метаморфические и осадочные породы, обладающие высоким пре- делом прочности при сжатии. Часть нагрузок арочная конструкция передаёт на основание. При этом, чем шире арка, тем больше давление на основание. Это требует увеличение ширины плотины в нижней части, и приводит к появлению арочно-гравитационных пло- тин, совмещающих в себе свойства арочных и гравитационных плотин. Арочные плотины с контрфорсами в нижней части арки называют арочно-контрфорсными. В них работа ар- ки ограничивается верхней частью, что позволяет применять арочные плотины в более широком диапазоне мест расположения. 99

Китайская арочная бетонная плотина ГЭС Цзинпин-1 (высота 305 м) возглавляет четвёр- ку самых высоких плотин мира, среди кото- рых: земляная насыпная плотина Нурекской ГЭС на реке Вахш, Таджикистан, высота 305 м; арочная бетонная плотина ГЭС Сяовань на ре- ке Меконг, Китай, высота 292 м; арочная бе- тонная плотина ГЭС Силоду на реке Цзинхэ, Китай, высота 285,5 м. Строительство ГЭС Цзинпин-1 началось в 2005 году, эксплуатация началась 8 октября 2012 года. На полную мощ- ность ГЭС должна выйти в 2015 году. В марте 2013 года в Иране началось строительство арочной бетонной плотины ГЭС Бахтиари на реке Бахтиари. По проекту плотина будет иметь высоту 335 м, что превосхо- дить на 30 метров высоту существующей рекордной китайской плотины ГЭС Цзинпин-1. В России самой высокой является арочно- гравитационная плотина Саяно-Шушенской ГЭС на реке Енисей, высота 242 м. Строитель- ство ГЭС начато в 1963 году, официально за- вершено в 2000 году. Плотина входит в два- дцатку самых высоких плотин мира. За ней следует российская арочная бетонная плотина Чиркейской ГЭС, построенная на реке Сулак, высота 232,5 м. 17 августа 2009 года на стан- ции произошла крупнейшая в истории россий- ской энергетики авария, ставшая причиной гибели 75 человек. Восстановление станции завершилось 12 ноября 2014 года. Напорный фронт Саяно-Шушенской ГЭС образует уникальная бетонная арочно- гравитационная плотина, устойчивость и прочность которой обеспечивается действием собственного веса (на 60%) и частично упором верхней арочной части в берега (на 40%). Максимальная высота плотины 242 м, верховая грань очерчена дугой радиусом 600 м, ширина плотины по основанию 105,7 м, по гребню 25 м. Длина гребня плотины с учётом береговых врезок составляет 1074,4 м. Плотина врезана в породы левого и правого бере- гов на глубину 15 м и 10 м соответственно, в породы основания – на глубину до 5 м. По условиям бетонирования и омоноличивания тела плотины её массив разделён ра- диальными швами на 68 секций, шириной 15 м. Плотина разделяется на левобережную глухую часть длиной 252,8 м (секции 0-15), станционную – 331,8 м (секции 16-36), водо- сбросную – 189,6 м (секции 38-48) и правобережную глухую – 300,2 м (секции 49-67). Ле- вобережная и правобережная части осуществляют сопряжение плотины с берегами. В чётных секциях станционной части размещены 10 водоприёмников ГЭС, переходящих в турбинные водоводы, идущие вначале в теле плотины, а затем по её низовой грани. Основание плотины укреплено площадной цементацией на глубину до 30 м; в осно- вании устроена глубокая (до 100 м) цементационная завеса, сопрягающая завеса под вер- ховой гранью (до 65 м), а также скважинный дренаж (максимальная глубина дренируемой зоны 43 м, в русле размещено 268 дренажных скважин). В плотину Саяно-Шушенской ГЭС уложено 9,075 млн. м³ бетона. При проектирова- нии сейсмичность района расположения плотины оценивалась в 7 баллов по шкале MSK- 64, которая позднее была увеличена до 8 баллов, что потребовало проведения дополни- тельных расчётов сейсмостойкости плотины. Результаты расчётов показали, что при зем- летрясении силой 8 баллов сейсмостойкость плотины обеспечивается. 100

Арочные плотины представляют собой в плане криволинейную стенку, работающую как свод, который через свои пяты почти полностью передаёт горизонтальное давление воды скалистым берегам. К качеству основания и особенно берегов предъявляются высо- кие требования. Арочные плотины устраиваются глухими и водосбросными, в плане они имеют обычно круговое очертание. В зависимости от соотношения толщины понизу b к высоте Н арочные плотины подразделяют на собственно арочные, b/Н = 0,07-0,40 и гравитационно- арочные, b/Н = 0,40-0,60. Все гравитационно-арочные и большинство арочных плотин возводят из бетона, только в отдельных случаях тонкие арочные плотины выполняют из железобетона. Толщина арочной плотины зависит от формы долины в створе плотины и отношения ширины долины на высоте гребня плотины к её высоте. Из различных форм поперечных профилей речных долин наиболее благоприятна для возведения арочной бе- тонной плотины треугольная (или близкая к ней). В этом случае нижние сечения арки, наиболее нагруженные, имеют меньшие пролёты, что позволяет выполнять их более тон- кими, чем при трапецеидальном или прямоугольном сечении створа. Симметричность формы долины также является положительным фактором для возведения арочных плотин. Толщина арочных бетонных плотин поверху обычно от 1,5 м до 4 м. Защитные по- крытия верховой грани такие же, как и у гравитационных плотин. Особо тщательно вы- полняют примыкания арки к берегам. Фильтрационное давление в основании арочной бе- тонной плотины не имеет значения для её устойчивости, поэтому дренаж основания обычно не делают. В период постройки арочную плотину разделяют на блоки длиной 10- 15 м поперечными вертикальными швами, которые по истечении 6-8 месяцев заделывают в зависимости от ширины швов плотным бетоном или цементным раствором. Основные преимущества арочных бетонных плотин по сравнению с гравитацион- ными бетонными плотинами: более выгодная работа конструкции и лучшее использова- ние прочностных свойств бетона, облегчение борьбы с экзотермией бетона, отсутствие влияния фильтрационного противодавления, сокращение объёмов бетона и стоимости со- оружения. Недостатки арочных плотин – усложнение производства работ и относительно небольшие возможности применения сборного железобетона. Основными параметрами арочной плотины являются: радиус арки в данном гори- зонтальном сечении плотины r и центральный угол 2α этого сечения; отношение ширины створа плотины по хорде L к высоте Н и отношение ширины плотины понизу b к высоте плотины Н. Рисунок 28 – Основные параметры арочных плотин Профили арочных плотин значительно более обжаты по сравнению с профилями гравитационных плотин и характеризуются так называемым коэффициентом стройности р – отношение толщины плотины d, равное максимальной толщине плотины в ключевом 101

сечении (без учета пробки), чаще всего толщина плотины у основания b, к высоте плоти- ны Н. Для тонких арочных плотин р < 0,2, для гравитационных плотин р = 0,6-0,8. Тол- щина арочных плотин и, следовательно, объём бетона на 1 м их длины меньше, чем гра- витационных в 24, иногда в 68 раз. Общая экономия бетона, вследствие криволинейности арочных плотин в плане, несколько меньше и для современных арочных плотин составля- ет 35-65%. Коэффициент створа арочной плотины – отношение длины арки по гребню плотины между береговыми упорами или устоями к её максимальной высоте над подошвой. Ароч- ные плотины широко применяются в относительно узких створах при отношении длины плотины по гребню к высоте обычно до 4, а арочно-гравитационные до 8. Так, например, на Чиркейской арочной плотине высотой 235 м это отношение составляет 1,7; на Ингур- ской плотине высотой 271,5 м – 2,36; на арочно-гравитационной Саяно-Шушенской пло- тине высотой 242 м – 4,45. В большинстве случаев арочные плотины выполняются двоякой кривизны с арками кругового очертания, у которых центральные углы верхней арки 2α составляют 100-120°, уменьшаясь к основанию. Арки могут иметь также параболические очертания, эллиптиче- ские и др. В относительно широких створах кривизна плотин в вертикальной плоскости (консольном направлении) может быть незначительной. По очертанию арочные плотины подразделяют на типы: с постоянным центральным углом – характерно для ущелий треугольной или близ- кой к ним формы; цилиндрические с постоянным радиусом – характерно для ущелий прямоугольной или близкой к ним формы; двоякой кривизны в арочном и консольном направлениях или купольные, получив- шие наибольшее распространение – применяются при различной форме ущелья. Классификация по признаку крепления тела плотин к берегам, согласно СП 40.13330.2012 «Плотины бетонные и железобетонные» [36], включает следующие типы: арочные плотины с защемлёнными пятами; арочные плотины с периметральным швом; арочные плотины из трёхшарнирных поясов; арочные плотины с гравитационными устоями. Арочная плотина с защемлёнными пятами сопрягается с берегами посредством глу- бокой врезки, заполняемой бетоном в распор. Глубина врезки составляет не менее поло- вины толщины арки в месте опирания. Пятой арки называется часть арки в месте её со- пряжения с устоями арочной плотины. Арочные плотины с периметральным швом опираются на седло арочной плотины посредством специального периметрального шва. Седло арочной плотины – фундамент арочной плотины, имеющий особую конструкцию и сопрягающийся с плотиной посред- ством периметрального шва, который отделяет арку от фундаментной части плотины и непосредственно заделываемой в скалу. В статическом отношении периметральный шов выполняет роль несовершенного шарнира. Устройство периметрального шва является ме- роприятием, направленным на улучшение напряжённого состояния плотины вследствие уменьшения растягивающих напряжений и придания большей симметрии собственно арочной плотине. Арочные плотины из трёхшарнирных поясов являются конструктивным решением, направленным на обеспечение их лучшего напряжённого состояния. Опытная конструк- ция такой плотины реализована, например, в нижнем бьефе Ладжанурской плотины в ка- честве водобойной стенки; плотина, расчленена горизонтальными швами на отдельные арочные пояса с шарнирными опорами, плотина рессорного типа. Такая конструкция яв- ляется статически определимой и в ней при основных нагрузках (гидростатическое давле- ние, давление наносов, собственный вес) отсутствуют растягивающие напряжения, а сжи- мающие напряжения распределены весьма равномерно по сечениям (неравномерность до 102

10%). Очень мало могут влиять на напряжённое состояние такой плотины изменения тем- пературы окружающей среды, смещения берегов (при горизонтальных швах, расположен- ных с учетом характера деформативности скалы), усадка и набухание бетона. Не вызывает особых опасений и работа такой конструкции при продольном (вдоль ущелья) сейсме. Что же касается её работы при боковом сейсме, то она подлежит специальному анализу; воз- можно при этом воздействии потребуются дополнительное армирование и другие меро- приятия. а) Плотина с защемлёнными пятами б) Плотина с периментральным швом в) Плотина из трёхшарнирных поясов г) Плотина с гравитационными устоями Рисунок 29 – Основные виды арочных плотин [33] Устой – гравитационная опора либо гравитационная часть плотины, служащая опорой арки и воспринимающая нагрузки от усилий в пятах верхних колец, а также давление воды. Устои бывают двух основных видов: прямые в виде гравитационных стенок, воспринимающих как нагрузку от усилий в пятах верхних колец плотины, так и давление воды непосредственно на верховую грань устоя; с гравитационными открылками, которые дают возмож- ность разгрузить устой от давления воды на его верховую грань и противодавления в основании (пространство между устоем и открылком дренируется), что улучшает работу собственно устоя. 103

Обычно открылок отрезается от устоя швом. В последнее время устои с такими от- крылками стали применять довольно часто. Иногда гравитационные открылки могут быть и при отсутствии собственно устоев. Например, на плотине Куробе в Японии с ныряющим гребнем. Нередко в устоях располагают водосбросные отверстия. Для обеспечения необ- ходимой устойчивости на сдвиг при небольшом объёме бетона устой иногда анкеруется в скалу арматурой или предварительно натянутыми тяжами, как это выполнено, например, на плотинах Мареж, Гаж и др. В качестве примера представлен разрез арочной плотины Чиркейской ГЭС на реке Сулак, в Дагестане. Начало строительства гидроузла – 1963 год, год ввода в эксплуатацию агрегатов – 1974-1976 года. Рисунок 30 – Разрез по зданию арочной плотины Чиркейской ГЭС Бетонная арочная плотина Чиркейской ГЭС имеет длину по гребню 338 м и наибольшую высоту 232,5 м. Это вторая по высоте плотина в России, после арочно- гравитационной плотины Саяно-Шушенской ГЭС высотой 242 м. Плотина разделена на 18 секций бетонирования шириной по 16 м и состоит из арочной части, клинообразной пробки и правобережного устоя. Пробка арочной плотины – искусственный участок осно- вания арочной плотины на самом пониженном резком углублении русла. Арочная часть плотины выполнена двоякой кривизны, симметричного очертания, высотой 184,5 м, толщина изменяется от 6 м у гребня до 30 м на контакте с пробкой. Ос- нованием плотины является пробка высотой 48 м, шириной 40 м и длиной по основанию 88 м, в нижней части которой устроена продольная полость эллиптического очертания длиной 21 м и пролётом 21 м. В плотину уложено 1,295 млн. м³ бетона. Врезка плотины в правый берег составляет 10-15 м, в левый берег – до 50 м. С целью обеспечения симмет- рии арочной части плотины на правом берегу сооружён гравитационный устой высотой 44,5 м и длиной 50 м. Потенциально неустойчивые скальные массивы у левобережного примыкания плотины искусственно закреплены анкерами, расположенными в 6 ярусах, по 3-5 штолен в каждом ярусе. В каждой штольне расположено по 32 анкера диаметром 56 мм, изготовленных из высокопрочной стали. Центральная часть плотины длиной 75 м (четыре секции) является станционной. На ней размещены наклонные водоприёмники (со стороны верховой грани) и 4 турбинных водовода (расположенные на низовой грани плотины). Турбинные водоводы имеют диа- метр 5,5 м и среднюю длину 250 м, по конструкции – железобетонные (толщина стенки 1,5 м) с внутренней стальной оболочкой. Водоприёмники оборудованы сороудерживаю- 104

щими решётками, а также плоскими аварийно-ремонтными и ремонтными затворами, для оперирования которыми используется козловый кран. В плотине на разных уровнях раз- мещено 10 галерей, предназначенных для обслуживания контрольно-измерительной аппа- ратуры и цементационной завесы в основании плотины, а также контроля фильтрации че- рез тело плотины. Водонепроницаемость бортов и основания плотины обеспечивается с помощью глубоких цементационных завес. Напорные сооружения ГЭС образуют Чиркейское водохранилище многолетнего ре- гулирования (его ёмкость позволяет накапливать воду в многоводные годы и расходовать в маловодные). Площадь водохранилища – 42,5 км², полный и полезный объём – 2,78 и 1,32 км³ соответственно. Отметка нормального подпорного уровня водохранилища со- ставляет 355 м над уровнем моря, форсированного подпорного уровня – 357,3 м, уровня мёртвого объёма – 315 м. Значительный полезный объём водохранилища позволяет эф- фективно использовать водные ресурсы – холостые сбросы на Чиркейской ГЭС произво- дятся весьма редко. При создании водохранилища было затоплено 3,04 тыс. га сельхо- зугодий и перенесено 830 строений, главным образом из аула Чиркей. В. Контрфорсные плотины. Являются разновидность выполненных из железобето- на плотин, не имеют выраженной арочной геометрии, а устойчивость этого типа плотин может быть не обеспечена массой самого сооружения, как для гравитационных плотин. Контрфорсная плотина – плотина, состоящая из контрфорсов и напорных перекры- тий, опирающихся на их верховую грань. Контрфорс в строительстве – вертикальная опора, расположенная с наружной сторо- ны стены и воспринимающая боковой распор свода. Обычно сечение контрфорса увели- чивается по мере приближения к основанию. Контрфорс в гидрологии – элемент контрфорсной плотины, передающий нагрузку от напорного перекрытия на основание. Различают массивные контрфорсы со сплошными сечениями, тонкие контрфорсы с усиленными ребрами жесткости и сквозные контрфорсы в виде наклонных колонн со связями жесткости. Увеличение прочности и надежности контрфорсных плотин обеспечивается либо смыканием внешних стен дамбы на её гребне, либо путем использования вертикальных контрфорсных элементов внутри тела плотины, снаружи со стороны нижнего бьефа или со стороны нижнего и верхнего бьефов. Таким образом, давление воды со стороны водо- хранилища передается напорным перекрытиям – контрфорсам, которые, в свою очередь, перенаправляют его в основание плотины. Примером массивно-контрфорсной плотины, одной из крупнейших в мире, является плотина ГЭС Итайпу на реке Парана. Впрочем, там пло- тина сборная, состоит из контрфорсной, гравита- ционной и земляной частей. Огромная ГЭС на реке Парана является одним из мировых лидеров по выработке электроэнергии. Электростанция обеспечивает более 20% потребности Бразилии в электричестве и около половины потребностей Парагвая, входит в десятку самых дорогостоя- щих современных сооружений в мире. Контрфорсные плотины являются, пожалуй, самыми технически сложными изо всех типов плотин. Как и гравитационные плотины они передают нагрузку на основание через контрфорсы. Такая конструкция позволяет существенно сократить требуемое количество бетона и стоимость по сравнению с обычной гравитационной плотиной на 20-40%, а ино- гда и на 60%. В то же время, контрфорсные плотины гораздо сложнее гравитационных в строительстве и более требовательны к качеству грунтов основания. К настоящему време- ни, в мире построено более 500 контрфорсных плотин различных типов. 105

Самой высокой контрфорсной плотиной является контрфорсная многоарочная пло- тина Даниель Джонсон на реке Маникуаган, протекающей по территории провинции Квебек, Канада. Плотина известна также как плотина Маник-5 и является основной пло- тиной проекта Маник-Утард по созданию Маникуаганского кольцевого водохранили- ща. Плотина была построена в период 1959- 1970 годов. Высота плотина – 215 м, длина – 1220 м. При постройке в тело плотины было уложено 2,2 млн. м3 бетона. Плотина была названа в честь 20-го премьер-министра Квебека Даниеля Джонсона, отвечавшего за реализацию проекта. В России самой высокой контрфорсной плотиной является массивно-контрфорсная плотиной Зейской ГЭС, которая эксплуати- руется в условиях амплитуды колебания температур до 850С. Зимние температуры достигающими -520С. Строительство стан- ции началось в 1964 году, первый гидроаг- регат был запущен в 1975 году, а к 1980 го- ду ГЭС заработала на полную мощность. Длина напорного фронта гидроузла – 714 м, максимальная высота – 115,5 м. В плотину уложено 1,9 млн. м3 бетона. Бетон в теле гравитационной плотины недонапряжён и напряжения распределены в сечениях весьма неравномерно. У верховой грани они малы и требуется принимать соот- ветствующие меры, чтобы напряжения не оказались растягивающими, особенно у основа- ния в зоне расположения противофильтратационной завесы. При этом такой дорогой ма- териал как бетон в значительной степени используется в качестве балласта, увеличиваю- щего вертикальные нагрузки, необходимые для обеспечения устойчивости плотины на сдвиг, а придание напорной грани значительного наклона с целью получения дополни- тельной пригрузки плотины водой при скальном основании обычно не приводит к эконо- мии бетона и поэтому, как правило, не применяется. Стремление устранить эти недостатки гравитационных плотин и получить экономию бетона привело к созданию различных контрфорсных конструкций плотин, представляю- щих собой ряд расположенных на некотором расстоянии друг от друга контрфорсов с напорным перекрытием в виде плит, арок, консольных утолщений контрфорсов и пр. Дав- ление воды и наносов, а также другие нагрузки, действующие на напорное перекрытие, передаются на контрфорсы, которые передают указанные нагрузки основанию – при прочных скальных грунтах непосредственно, а при слабых скальных и полускальных грунтах через фундаментную плиту – сплошную или частичную, что уменьшает напряже- ния на грунт. При скальных основаниях и отсутствии сплошной фундаментной плиты переход от гравитационной плотины к контрфорсной даёт возможность уменьшить объём бетона на 20-50% и больше. Уменьшение фильтрационного давления, придание напорной грани плотины наклона и получение вертикальной пригружающей плотину силы позволяет уменьшить вес плотины и объём бетона для обеспечении требуемого коэффициента устойчивости плотины на сдвиг. 106

Контрфорсные плотины на скальных и полускальных основаниях классифицируются по ряду признаков, среди которых: тип напорного перекрытия, способ пропуска воды, конструкция, материал, очертание продольной оси в плане и др. По типу напорного перекрытия различают контрфорсные плотины: с плоскими напорными перекрытиями, разрезными или неразрезными; с массивными оголовками контрфорсов (массивно-контрфорсные); с арочными напорными перекрытиями (многоарочные); с выпуклыми перекрытиями двоякой кривизны (многоарочные с переменным накло- ном верховой грани и многокупольные); с вогнутыми (гибкими) напорными перекрытиями (парусно-контрфорсные); с плоскими напорными перекрытиями, располагаемыми по низовым граням контр- форсов, – реверсивные плотины. Первые три типа напорного перекрытия использованы в классификационной схеме нормативного документа СП 40.13330.2012 «Плотины бетонные и железобетонные». По способу пропуска воды контрфорсные плотины бывают глухие и водосбросные. Водосбросные плотины, в свою очередь, разделяются на водосливные со свободнопадаю- щей струёй или с водосливной плитой, доходящей до водобоя, и с гашением. По конструкции контрфорсов различают контрфорсные плотины: со сплошными контрфорсами – массивными или тонкими, в том числе полыми, сдвоенными (или парными); со сквозными контрфорсами, например, вилочными; без фундаментной плиты – при прочных основаниях и с фундаментной плитой – при относительно слабых основаниях, особенно неоднородных, и при сейсме. B отдельных случаях нашли применение заанкеренные и напряженно-армированные контрфорсные плотины, а также плотины с активными швами. По материалу контрфорсные плотины бывают: бетонные и железобетонные – применяются наиболее часто. Обычно контрфорсные плотины выполняются из монолитного бетона, иногда из сборных элементов, могут иметь и сборно-монолитные конструкции; стальные; из каменной кладки; комбинированные. По очертанию продольной оси в плане различают контрфорсные плотины с прямо- линейной осью (применяются наиболее часто), с ломаной и криволинейной осью. Отступление от прямолинейного очер- тания оси плотины в плане может быть вызвано топографическими и геологиче- скими условиями, когда стремятся иметь минимальные объёмы работ и не распола- гать плотину на особо неблагоприятных в геологическом отношении зонах. Напри- мер, Андижанская плотина на реке Кара- дарья, Узбекистан. Массивная бетонная плотина со сдвоенными контрфорсами длиной 1020 м, шириной по гребню 15 м, по основанию – 120 м и максимальной высотой 115,5 м. При многоарочных плотинах придание оси криволинейного очертания по дуге окружности иногда может быть вызвано стремлением получить при наклонной верховой грани постоянный по высоте пролёт арок, что упрощает несущую низовую опалубку. Например, многоарочная плотина Бартлетт, высота 87 м, США, 1939 год. 107

Одной из наиболее старых контр- форсных плотин считают испанскую плотину Эльче на реке Виналопо высо- той 23 м, построенную из каменной кладки в конце XVI в. Пролеты между контрфорсами этой плотины были пере- крыты вертикальными сводами. Толщи- на стенки у основания 12 метров и 9 метров в верхней части. В те времена контрфорсные плотины такого типа не получили большого распространения и лишь значительно позже, в начале XIX веке, к ним вернулись снова. Наиболее характерным видом первоначального применения контрфорсов в плотино- строении является усиление ими гравитационных профилей. Такие плотины применялись для целей ирригации и частично для использования водной энергии (для водяных мель- ниц) 170-220 лет назад. Несколько таких плотин (например, Пабеллон в Мексике) сохра- нились до настоящего времени. Сооружались они из бутовой кладки на растворе гидрав- лической извести. Более интенсивно контрфорсные плотины стали строить в конце про- шлого века, что обусловлено началом применения в строительстве бетона и железобетона как материала и осознанием положительных качеств контрфорсных плотин. Распростра- нению их способствовало, конечно, и развитие водохозяйственного строительства при общем прогрессе науки и техники. В начале XX века, (включая 20-30-е годы) контрфорсные плотины строили главным образом с плоскими напорными перекрытиями и многоарочные. При этом плотины обыч- но были тонкостенными (толщина элементов 0,16-3 м) и довольно сильно армировались (расход арматуры 20-40 кг и более на 1 м3 бетона); высота плотин обычно была сравни- тельно небольшой – 10-30 м, иногда плотины были несколько выше. Довольно много та- ких невысоких плотин было построено в США, Скандинавских странах, в Италии, Фран- ции и Японии (многоарочные), а также в других странах. В последующие десятилетия строительство плотин с плоскими напорными плитами значительно сократилось, мно- гоарочные плотины продолжали строить в ряде стран (особенно по проектам французских инженеров), но в относительно небольшом количестве, причем конструкции их получили дальнейшее развитие (увеличение пролетов и высоты с применением достаточно массив- ных элементов). В 1929 году по проекту инженера Ф. Нётцли в США на реке Рио-Саладо была по- строена первая массивно-контрфорсная плотина Дон Мартин с одиночными контрфорса- ми и круговыми оголовками, высотой 39 м. Рисунок 31 – Плотина Дон- Мартин с круговыми оголовка- ми на реке Рио-Саладо 108

После этого массивно-контрфорсные плотины стали всё шире распространяются во многих странах мира и получили к настоящему времени наиболее широкое применение по сравнению с другими типами контрфорсных плотин. Это обусловлено сравнительной про- стотой строительства, малым расходом металла, достаточной долговечностью, возможно- стью сооружения в суровых климатических условиях, сейсмостойкостью, применимостью при довольно слабых основаниях и основаниях с существенными дефектами и пр. а) Плотина с массивными ого- б) Плотина с плоским напорным в) Плотина с арочным напор- ловками контрфорсов перекрытием ным перекрытием (массивно-контрфорсная) (многоарочная) Рисунок 32 – Основные виды контрфорсных плотин [36] Массивно-контрфорсная плотина – контрфорсная плотина, напорное перекрытие ко- торой образовано массивными оголовками контрфорсов. Каждый контрфорс может само- стоятельно передавать воспринимаемую нагрузку на основание. Сами контрфорсы могут быть одиночные или парные, что повышает жесткость вдоль оси сооружения при боковом сейсмическом воздействии, а также упрощает устройство во- досбросных отверстий. Оголовок с напорной стороны может быть круглый, полигональный или плоский. Давление воды не вызывает рас- тягивающих напряжений в оголовках при их круговой или полигональной форме. В пределах оголовков контрфорсы отделе- ны друг от друга конструктивными швами. Этим достигаются их независимые деформации и возможность возведения плотин на податливых основаниях. Водонепроницаемость швов обеспечивается специальными уплотнениями по типу швов в гравитационных плотинах. Требования к качеству основа- ния этих плотин примерно те же, что и для массивных гравитационных плотин. Массивно-контрфорсные плотины возводят из бетона без армирования. Как и в гра- витационных плотинах применяется зонирование бетона. В контрфорсах высоких плотин выполняют температурно-усадочные швы. Расстояние между осями контрфорсов прини- мают от 10 до 20 м. Толщина контрфорсов 3-8 м, в зависимости от высоты плотины. 109

Контрфорсная плотина с плоскими напорными перекрытиями – контрфорсная плотина, напорное перекрытие которой со- стоит из плоских железобетонных плит, опирающихся на контрфорсы. Данные пло- тины обычно сооружаются из железобетона и были распространены при сравнительно небольших напорах в начале прошлого века (так называемые плотины типа Амбурсена), но в настоящее время строительство их рез- ко сократилось. Строились плотины данного типа с напором до 30-40 м обычно на скальных основа- ниях и главным образом в скандинавских странах, наибольшую высоту 76 м имеет плоти- на Родригес в Мексике. При изящности конструкции контрфорсные плотины с плоскими напорными перекрытиями имеют большой недостаток – значительный расход стальной арматуры (до 40 кг и более на 1 м3 бетона) и высокую себестоимость строительства. Основными элементами рассматриваемого типа плотин являются: контрфорсы, пе- рекрывающие их напорные плиты и балки жесткости между контрфорсами. В случае не- скального или слабого скального основания под плотиной устраивают сплошную фунда- ментную плиту. В водосливных плотинах устраивают водосливную плиту; при наличии фундаментной плиты образующуюся замкнутую полость в плотине иногда заполняют балластом для повышения устойчивости плотины на сдвиг. Контрфорсы имеют треугольный или близкий к нему профиль с наклоном верховой грани к горизонту под углом 45-600. Их профиль часто имеет переменную толщину, уве- личивающуюся книзу. Железобетонные плиты перекрытия контрфорсных плотин обычно свободно оперты на контрфорсы. Для опирания плит контрфорсы снабжаются консоль- ными уширениями с шириной площадки опирания равной 0,5-1,0 толщины плиты. Разрез- ная конструкция напорного перекрытия допускает неравномерную осадку контрфорсов, что позволяет снизить требования к качеству основания. На напорной грани плит растяги- вающие напряжения не возникают. Для обеспечения устойчивости тонких контрфорсов на продольный изгиб между ними располагают элементы жёсткости. В плотинах с плоскими плитами (ввиду малых пролетов) такими элементами обычно являются балки жесткости, в более поздних кон- струкциях применяют и стенки жесткости, соединяющие сдвоенные контрфорсы, как это имеет место, например, в конструкции плотины Мада. Данная плотина интересна и тем, что при её строительстве основание было укреплено анкеровкой с целью обеспечения надлежащей устойчивости сооружения. Конструкция плотин получается относительно тонкостенной, но не всегда целесооб- разной по условиям производства работ и иногда вызывающей сомнения в части долго- вечности сооружения, а перекрывать значительные пролеты перекрытиями в виде плит обычно оказывается нецелесообразным. К тому же требуется довольно значительное ар- мирование конструкции (расход арматуры 20-40 кг/м3 и более). Плотина с арочным напорным перекрытием (многоарочная плотина) – контрфорсная плотина, напорное перекрытие которой состоит из арок, опирающихся на контрфорсы. Многоарочные контрфорсные плотины могут строиться в различных створах, но в отно- сительно узких створах они уступают по экономичности арочным плотинам. В широких створах у контрфорсных плотин нет конкурентов, кроме грунтовых плотин, особенно при высоких напорах. Самая высокая многоарочная плотина Даниель Джонсон (она же Мани- куаган-5) имеет максимальную высоту 215 м и длину 1220 м. Плотина состоит из 13 сек- ций с пролётами арок по 76,2 м и центральной арки с пролётом 161,5 м; её основание гра- нитное. Арочные перекрытия позволяют перекрывать значительно большие пролёты, чем плоские плиты. 110

Многоарочные плотины, как правило, применяют при наличии достаточно хоро- ших скальных оснований, не требующих устройства фундаментной плиты, однако имеются и исключения, как, например, ал- жирская плотина Бени-Бадель высотой 61 м, построенная в 1941 году на сложном основа- нии из песчаников и довольно слабых мерге- листых сланцах. Очертание арок обычно круговое при постоянной толщине арочных колец, хотя некоторое утолщение к пятам позволяет снизить величину растягивающих напряжений на напорной грани. Используется два варианта сопряжения арок с контрфорсом: арки соединяются с контрфорсом жёстко путём запуска в него арматуры арок; арки соединяются с плитой, свободно лежащей на грани контрфорса. Первый вариант имеет следующие недостатки: температурные напряжения могут привести к образованию трещин в месте рассматривае- мого сопряжения; кроме того, в этом случае неравномерная осадка основания является более опасной, чем в случае второго варианта. Второй вариант имеет преимущество в том, что контрфорсы можно возводить независимо от арок; их осадка не может существенно влиять на работу арок. Контрфорсы имеют тот же вид, что и у плотин с плоским перекрытием; в данном слу- чае они получаются только более массивными, поскольку на них передаётся большое гид- ростатическое давление (в связи с увеличением пролетов). Имеются случаи устройства широких пустотелых (сдвоенных) контрфорсов, рекомендуемых часто для сейсмических районов. Контрфорсы могут снабжаться или балками жесткости, или рёбрами жесткости. Часто наружные грани контрфорсов армируют металлической сеткой (устанавливаемой без расчёта). Обычно арки плотины делают постоянного радиуса, с постоянным центральным уг- лом и постоянной толщиной в данном поперечном сечении свода. В большинстве случаев арки армируют двойной арматурой, без которой арки выполняют редко. Для использования водной пригрузки арочные перекрытия устраивают наклонными к горизонту под углом 55-650. На практике расстояние между осями контрфорсов выби- рают от 10-25 до 30-35 м; центральный угол арок – 1800; толщина железобетонных арок вверху – 0,25-0,75 м (чаще 0,3-0,4 м), бетонных – 1,7-2,0 м, толщина арки внизу 0,6-3,6 м (обычно 1,3-2,0 м). При устройстве многоарочных плотин экономия бетона по сравнению с гравитаци- онной плотиной получается обычно не- сколько больше, чем при устройстве контр- форсных плотин других типов (30-60% и бо- лее). Однако многоарочные плотины часто требуют большого армирования (расход ар- матуры иногда составляет 30-50 кг/м3 и бо- лее). Кроме того, они несколько сложнее в выполнении – это, по-видимому, и объясняет довольно редкое строительство таких плотин в настоящее время. Перспективными являются конструкции достаточно толстостенные и слабоармиро- ванные. Применение предварительно напряженного армирования и обжатия кладки домкратами в активных швах, приводит к дополнительной экономии бетона и снижению 111

стоимости. Так, для плотины Бени-Бадель в Алжире применение этих мероприятий позво- лило получить экономию бетона до 30% по сравнению с обычной конструкцией, а для плотины Эрраген в Алжире соответственно 43% при снижении стоимости на 30%. Некоторые трудности возникают при проектировании водосбросных многоарочных плотин, особенно при больших расходах, так как перелив воды непосредственно через ар- ки может привести к неблагоприятным подмывам контрфорсов (особенно если удельные расходы не очень малы) или к необходимости устройства дорогого крепления русла в нижнем бьефе в месте падения струи и ниже по течению, а расположение водосливной плиты между контрфорсами при больших пролётах является довольно неконструктивным тяжелым решением, хотя оно иногда предлагается и может быть в определенной мере оправдано. В связи с этим устраивают глухие многоарочные плотины с береговыми водо- сбросами или водопропускные отверстия в контрфорсах многоарочных плотин, проекти- руя их расширенными, полыми. Возможны и комбинированные решения. Например, пло- тина Даниель Джонсон имеет водослив на левом берегу, для чего используется естествен- ная лощина, и два водосбросных отверстия в центральных контрфорсах, которые пере- крываются затворами и имеют на концах носки-трамплины. Обычно многоарочные плотины сооружают в условиях не очень сурового климата, однако суровый климат вообще не является препятствием к их применению при наличии достаточно массивных элементов и устройстве в случае необходимости теплоизоляции со стороны нижнего бьефа. Сейсмичность района также не препятствует применению мно- гоарочных плотин, но требует тщательного учета при проектировании сооружений и мо- жет довольно существенно влиять на конструкцию плотин. Ценным качеством мно- гоарочных плотин является возможность применения больших расстояний между контр- форсами, что приводит к уменьшению скальных работ и позволяет при необходимости разместить между контрфорсами агрегаты ГЭС. В качестве примера представлена многоарочная плотина Гринваль (Франция) высо- той 88 м, с пролётом 50 м. Водосливы и глубинные водосбросы устроены в теле контр- форсов (трубопроводы в полых контрфорсах) и поверх контрфорсов в лотках. Рисунок 33 – Пример: многоарочная плотина Гринваль (Франция): а) – план плотины и вид с верхнего бьефа; б) – поперечный разрез и план плотины; в) – разрез по пролёту с гидростанцией; 1 – водослив в контрфорс; 2 – решётка водозабора; 3 – береговые цементационные завесы; 4 – строительный туннель водосброса; 5 – перемычка; 6 – строительные швы; 7 – машинный зал ГЭС; 8 – водовод. 112

3.3. Классы безопасности плотин водохранилищ Гидротехнические сооружения – сооружения для использования водных ресурсов, а также для борьбы с вредным воздействием вод. К ним относятся: плотины, здания гидро- электростанций, водосбросные, водоспускные и водовыпускные сооружения, туннели, ка- налы, насосные станции, судоходные шлюзы, судоподъёмники; сооружения, предназна- ченные для защиты от наводнений, разрушений берегов и дна водохранилищ и рек; со- оружения (дамбы), ограждающие хранилища жидких отходов промышленных и сельско- хозяйственных организаций; устройства от размывов на каналах, а также другие сооруже- ния, предназначенные для использования водных ресурсов и предотвращения негативного воздействия вод и жидких отходов. Обычно гидротехнические сооруже- ния объединены по расположению, це- лям и условиям работы в гидроузлы, ко- торые бывают низконапорные (с напо- ром менее 10 м), средненапорные (с напором 10-40 м), высоконапорные (с напором более 40 м). Низконапорные гидроузлы сооружа- ются на равнинных реках, преимуще- ственно в пределах их русла, главным образом, для транспортных или энерге- тических целей (ГЭС) и на горных реках (для орошения). Средненапорные гидроузлы сооружаются для тех же целей, что и низконапорные, а также для борьбы с наводнениями, высоконапорные гидроузлы обычно служат для ком- плексного решения задач. Гидротехнические сооружения делятся на две категории: повреждения которых не могут привести к возникновению чрезвычайной ситуации и способные привести к чрез- вычайной ситуации. Чрезвычайная ситуация – это обстановка, сложившаяся на опреде- ленной территории или акватории в результате аварии, опасного природного явления, ка- тастрофы, стихийного или иного бедствия, которая может повлечь или повлекла за собой человеческие жертвы, ущерб здоровью людей или окружающей природной среде, значи- тельные материальные потери и нарушение условий жизнедеятельности людей. Проявление опасного следствия от повреждения гидротехнических сооружений обычно носит комплексный характер. Например, разрушение гидроузла, прорыв водохра- нилища, катастрофический подъём уровня воды в нижнем бьефе и т.д. Постановление Правительства РФ от 2 ноября 2013 года № 986 «О классификации гидротехнических сооружений» устанавливается, что по степени опасности гидротехни- ческие сооружения подразделяются на классы: I класс – гидротехнические сооружения чрезвычайно высокой опасности; II класс – гидротехнические сооружения высокой опасности; III класс – гидротехнические сооружения средней опасности; IV класс – гидротехнические сооружения низкой опасности. Критерии отнесения гидротехнических сооружений к тому или иному классу опре- деляются содержанием признаков – тип грунта основания, назначение и условия эксплуа- тации сооружения, последствия возможных гидродинамических аварий; гидрометриче- скими показателями – высота сооружения, объём водохранилища, максимальный напор, а также рядом социальных показателей, которые включают:  число постоянно проживающих людей, которые могут пострадать от аварии гидро- технического сооружения; 113

 число людей, условия жизнедеятельности которых могут быть нарушены при ава- рии гидротехнического сооружения;  размер возможного материального ущерба без учёта убытков владельца гидротех- нического сооружения;  характеристика территории распространения чрезвычайной ситуации, возникшей в результате аварии гидротехнического сооружения. Классы гидротехнических сооружений в зависимости от их высоты и типа грунта их основания представлены в таблице применительно к гидроузлам, которые образуют (свя- заны с эксплуатацией) водохранилища. Таблица 15 – Классы гидротехнических сооружений в зависимости от их высоты и типа грунта их основания Высота гидротехнического сооружения Гидротехническое Тип грунта (метров) сооружение основания I класс II класс III класс IV класс А более 80 от 50 до 80 от 20 до 50 менее 20 Плотины из грунтовых Б более 65 от 35 до 65 от 15 до 35 менее 15 материалов В более 50 от 25 до 50 от 15 до 25 менее 15 Плотины бетонные и А более 100 от 60 до 100 от 25 до 60 менее 25 железобетонные; подводные конструкции зданий гидростанций; судоходные Б более 50 от 25 до 50 от 10 до 25 менее 10 шлюзы; судоподъемники и дру- гие сооружения, участвующие в В более 25 от 20 до 25 от 10 до 20 менее 10 создании напорного фронта Ограждающие сооружения А, Б, В более 50 от 20 до 50 от 10 до 20 менее 10 хранилищ жидких отходов Оградительные сооружения; А, Б, В более 25 от 2 до 25 менее 5 – ледозащитные сооружения А – более 15 15 и менее – Сухие и наливные доки; наливные док-камеры Б, В – более 10 10 и менее – Типы грунтов основания: А – скальные; Б – песчаные, крупнообломочные и глинистые в твердом и по- лутвердом состоянии; В – глинистые водонасыщенные в пластичном состоянии. Из таблицы видно, что наиболее безопасными являются гидротехнические соору- жения, построенные на скальном основании Класс гидротехнических сооружений гидравлических и тепловых электростанций с установленной мощностью не менее 1000 МВт повышается на единицу в случае, если электростанции изолированы от энергетических систем. Класс гидротехнических сооружений участка канала от головного водозабора до первого регулирующего водохранилища, а также участков канала между регулирующими водохранилищами понижается на единицу в случае, если водоподача основному водопо- требителю в период ликвидации последствий аварии на канале может быть обеспечена за счет регулирующей ёмкости водохранилищ или других источников. 114

Класс временных гидротехнических сооружений повышается на единицу в случае, если повреждения таких гидротехнических сооружений могут привести к возникновению чрезвычайной ситуации. Класс берегоукрепительных гидротехнических сооружений повышается на едини- цу в случае, если повреждения берегоукрепительных гидротехнических сооружений могут привести к возникновению чрезвычайных ситуаций федерального, межрегионального и регионального характера. Таблица 16 – Классы гидротехнических сооружений в зависимости от их назначения и условий эксплуатации Класс Гидротехническое сооружение гидротехнического сооружения 1. Подпорные гидротехнические сооружения мелиоративных гидроузлов при объёме водохранилища, млн. куб. м: свыше 1000 I от 200 до 1000 II от 50 до 200 III 50 и менее IV 2. Гидротехнические сооружения гидравлических, гидроаккумулирующих, приливных и тепловых электростанций установленной мощностью, МВт: более 1000 I от 300 до 1000 II от 10 до 300 III 10 и менее IV 3. Каналы комплексного водохозяйственного назначения и гидротехнические сооруже- ния на них при суммарном годовом объеме водоподачи, млн. куб. м: свыше 200 I от 100 до 200 II от 20 до 100 III менее 20 IV 4. Гидротехнические сооружения атомных электростанций независимо от мощности I 5. Гидротехнические сооружения и судоходные каналы на внутренних водных путях (кроме гидротехнических сооружений речных портов) сверхмагистральных II магистральных и местного значения III 6. Гидротехнические сооружения мелиоративных систем при площади орошения и осушения, обслуживаемой сооружениями, тыс. га свыше 300 I от 100 до 300 II от 50 до 100 III менее 50 IV 7. Временные гидротехнические сооружения, используемые на стадиях строительства, IV реконструкции и капитального ремонта постоянных гидротехнических сооружений 8. Берегоукрепительные гидротехнические сооружения III 115

Таблица 17 – Классы защитных гидротехнических сооружений в зависимости от максимального напора на водоподпорное сооружение Максимальный расчетный напор (метров) Защищаемые территории и объекты I класс II класс III класс IV класс 1. Селитебные территории (населенные пункты) с плотностью жилого фонда на территории возможного частичного или полного разрушения при аварии на водоподпорном сооружении, 1 кв. м на 1 га свыше 2500 свыше 5 от 3 до 5 до 3 – от 2100 до 2500 свыше 8 от 5 до 8 от 2 до 5 до 2 от 1800 до 2100 свыше 10 от 8 до 10 от 5 до 8 до 5 менее 1800 свыше 15 от 10 до 15 от 8 до 10 до 8 2. Объекты оздоровительно-рекреационного и сани- тарного назначения (не попадающие под позицию 1) – свыше 15 от 10 до 15 менее 10 3. Объекты с суммарным годовым объёмом произ- водства и (или) стоимостью единовременно храня- щейся продукции, млрд. рублей свыше 5 свыше 5 от 2 до 5 до 3 – от 1 до 5 свыше 8 от 3 до 8 от 2 до 3 до 2 менее 1 свыше 8 от 5 до 8 от 3 до 5 до 3 4. Памятники культуры и природы свыше 3 до 3 – – Таблица 18 – Классы гидротехнических сооружений в зависимости от последствий возможных гидродинамических аварий Число людей, Размер Число постоянно Характеристика условия возможного проживающих территории жизнедеятельности материального людей, которые распространения Класс которых могут быть ущерба без учета могут пострадать чрезвычайной гидротехнического нарушены при убытков от аварии ситуации, возникшей сооружения аварии владельца гидротехнического в результате аварии гидротехнического гидротехнического сооружения, гидротехнического сооружения, сооружения, человек сооружения человек млн. рублей в пределах I более 3000 более 20000 более 5000 территории двух и более субъектов РФ в пределах территории одного II от 500 до 3000 от 2000 до 20000 от 1000 до 5000 субъекта РФ (двух и более муниципаль- ных образований) в пределах территории одного III до 500 до 2000 от 100 до 1000 муниципального образования в пределах территории одного IV – – менее 100 хозяйствующего субъекта 116

Кроме источников чрезвычайных ситуаций, связанных с гидротехническими объек- тами, в системе водохранилищ имеются и другие источники опасности. Например, не- смотря на наличие берегоукрепительных гидротехнических сооружений, относящихся к III классу опасности, возможны катастрофические изменения чаши, которые могут приве- сти к волновым опасным явлениям. Волновые опасные явления – эффект бухты Литуя. В заливе Литуя, располо- женном в штате Аляска, на узкой полосе территории США, прижатой к Тихому океану Канадой, 9 июля 1958 года, вече- ром, в результате землетрясения и оползня в разломе Фейрвезе со скал на северо- восточном берегу залива в воду упало 36,5 млн. м3 твердой породы. Эта огромная масса камней опустилась в воду с высоты примерно 910 метров в бухту Гильберта, юго-западный берег которой подвергся удару огромной волны, возникшей в ре- зультате катаклизма. Гигантская волна взметнулась по склону бухты Гильберта на высоту 524 метра, вы- рвав с корнем все деревья девственного леса ниже этой отметки. Залив Литуя представляет собой достаточно узкую полоску воды на северо- восточном берегу залива Аляска длинной 11,3 км и шириной 3,2 км. Максимальная глу- бина бухты 219 метров, но на перешейке, который отделяет залив от океана, до дна всего 9,7 метра. Линия перешейка соединяет вершину косы Ла Гаусси с мысом Харбор Поинт. Удар волны был такой силы, что была уничтожена полоска суши вдоль залива Литуя и коса Ла Гаусси. По данным Геологической службы США, основанных на рассказах оче- видцев, аналогичные катаклизмы имели место здесь и ранее в 1936, 1899, 1874 и 1853 го- дах. Христоматийным примером волнового опасного явления является катастрофа, кото- рая произошла в долине реки Вайонт 09 октября 1963 года около 22:35 по Гринвичу и ста- ла одной из самых крупных катастроф в истории гидротехнического строительства, унес- шей за 7 минут жизни 2100 человек. В 1959 году была возведена арочная бетонная плотина Вайонт рядом с горой Монте Ток на од- ноимённой реке Вайонт, притоке реки Пьяве, впадающей в Венецианский залив Адриатиче- ского моря. Плотина имеет высоту 261,6 м, дли- ну по гребню 190 м, ширину по основанию 23 м и ширину по гребню 3,9 м. Плотина считается одной из самых «изящных» плотин в мире. В феврале 1960 года началось заполнение водо- хранилища и в марте, когда уровень воды до- стиг 130 метров, начались слабые подвижки грунта котловины. В октябре 1960 года, когда уровень воды достиг 170 метров, на южном склоне горы открылась двухкилометровая трещина, и склон горы начал сползать в водохранилище со скоростью 3-4 сантиметра в сутки. Заполнение водохранилища не было прекращено и 4 ноября 1960 года, при отметке воды в 190 метров (из запланированных 262), сошел пер- вый оползень объёмом около 800 тыс. м3. После этого уровень воды был снижен до от- метки 50 метров, инженеры приступили к исследованиям и пришли к выводу, что в бли- 117

жайшем будущем будет новый оползень, который разделит водохранилище пополам. Во избежание этого приступили к сооружению специальной галереи по дну водохранилища для того чтобы, когда сойдет следующий оползень и перекроет водохранилище поперек, его две части работали как сообщающиеся сосуды через построенную галерею. Строи- тельство галереи закончилось в октябре 1961 года, после чего наполнение водохранили- ща было возобновлено, несмотря на продолжавшиеся подвижки грунта и землетрясения в 4-4,9 баллов по шкале Рихтера. С октября 1961 по лето 1963 года подвижки склона всё возрастали. В сентябре 1963 года весь склон горы съехал на 22 сантиметра, а в начале октября за раз съехал на целый метр. После этого было принято решение о спуске воды, но было уже поздно. 9 октября 1963 года огромный оползень из 260 млн. м 3 леса, земли и камней сошел в водохрани- лище со скоростью 110 километров в час. Водохранилище было засыпано оползнем на высоту 170 метров, а вода объёмом в 50 млн. м3 перелилась через край плотины и обру- шилась смертельным валом высотой в 150 метров на долину реки, сметая всё на своем пути. По долине этот массив воды уже катился с высотой в 20 метров, но и этого было более чем достаточно для трагедии. Вода смыла только около 1 метра верхнего слоя дамбы, но и этого было достаточно, чтобы в долине реки Пьяве было уничтожено наводнением 5 деревень, погибло, по раз- ным подсчётам, от 1900 до 2500 человек, полностью погибли 350 семей. Сама плотина устояла, но водохранилище с тех пор больше не наполняется. Волновые опасные явления на озёрах и водохранилищах являются следствием сей- смических и гравитационных процессов, которые приводят к образованию огромных волн под воздействием обвалов твёрдых береговых пород. Плотины сооружаются не только для эффективного использования водных ресурсов, но и для борьбы с вредным воздействием вод. Например, для защиты от селевых потоков, образующихся при прорыве ледниковых моренный озёр. В период повышения температуры воздуха и продвижения нулевой изотермы высо- ко в горах обострение опасной ситуации идёт по двум направлениям: усиливаются термокарстовые проявления, влекущие за собой разного рода измене- ния во внутриледниковой системе каналов стока, просадку мерзлой обломочной породы и ослабление озёрных дамб; резко увеличивается приток талых вод в озёрные котловины, что влечет за собой опасное переполнение последних. При сочетании этих двух процессов ситуация становится угрожающей и достаточ- но незначительного перелива, чтобы озёрная плотина разрушилась, или начавшегося ис- течения воды, чтобы система гротов и туннелей стремительно расширилась и озеро быстро опорожнилось. Так, например, ситуация для моренного озера у конца ледника Туюксу развивалась с ежегодным приростом объёма водных масс: 1920 год – зарожде- ние озера; 1951 год – 20 тыс. м3; 1956 год – 32 тыс. м3; 1963 год – 75 тыс. м3; 1973 год – 260 тыс. м3. Эта ситуация разрешилась прорывом котловины озера 15 июля 1973 года и возникновением катастрофического селя (объём грязекаменной массы составил 3,8 млн. м3, максимальный расход 10 тыс. м3/с), который был остановлен искусственной плоти- ной в урочище Медео над Алма-Атой. Сель [в гидрологии от араб. ‫ - ليس‬сайль - бурный поток] – водный поток с очень большой концентрацией минеральных частиц, камней и обломков горных пород (от 10-20% до 60-70% общего потока), возникающий в бассейнах небольших горных рек и сухих логах, вызванный, как правило, ливневыми осадками или бурным таянием снега, а также при прорыве плотин, запруд и т.д. Остановленный сель был не первый. В 1921 года чудовищный сель, свалившийся с гор ночью на спящий город, прошёл Алма-Ату из конца в конец фронтом в 200 метров шириной. Не считая воды, грязи, обломков деревьев, одних лишь камней обрушилось на город столько, что по подсчетам их хватило бы для загрузки нескольких сот товарных по- 118

ездов. И эти эшелоны, разогнавшись по склону, на курьерской скорости таранили город Алма-Ату, разрушая и уничтожая дома и улицы. Объём селя определялся тогда объёмом в 1200 тыс. м3. Опасность повторения такой катастрофы существовала постоянно. Город Алма-Ата рос и с каждым годом бедствия от селя могли быть всё более ужасными. Идея перекрыть путь селю искусственно созданной плотиной принадлежала академику М.А. Лаврентьеву. Он предложил воздвигнуть такую плотину с помощью направленного взрыва. В конце 1966 года направленные взрывы уложили 2,5 млн. тонн камня на дно урочища Медео. Возникла плотина, перекрывшая долину реки Алмаатинки. Селя пришлось ждать недолго. В июле 1973 году гидрологические посты сообщили о возможности его появления. 15 июля в 18 часов 45 минут по местному времени морен- ное озеро ледника Туюксу мгновенно вспучилось и сразу опало. Раздался характерный, похожий на хриплый вздох, звук, тут же переросший в зловещий грохот. Предсказанный, но всегда неожиданный сель рванулся вниз. Пока точно не установлено, сколько воды из- вергла первоначальная морена. По-видимому, не меньше 100 тыс. м3. Но через несколько ми- нут в селе было уже не менее 1 млн. м3 воды и камней. Однако на этот раз путь селю прегра- дила плотина. Вот что рассказывает очевидец, находивший- ся на плотине в момент катастрофы. День был знойный и тихий. Вдруг издали донесся грохот, будто за снежной вершиной хребта реактивный самолет брал звуковой барьер. Грохот исчез так же неожиданно, как и возник. Через 10 секунд за покрытым елями склоном горы взвился вверх огромный рыжий столб пыли, закрывший небо. Из-за поворо- та стремительно выкатился огромный грязевой вал. Он с ходу ударился о твердь котлова- на, потом отпрыгнул к противоположному склону, обрушившись на него всей своей тяже- стью. На плотину Медео пришёлся удар такой силы, какой, если не считать атомных взрывов, никогда ещё не наносился по творению рук человеческих. Камни забили водоот- водные трубы, а вздувшаяся река добавляла в котлован по 10-12 м3 воды ежесекундно. Уровень искусственного озера начал быстро подниматься. Вода грозила перехлестнуть плотину. Трудно вообразить, что могло бы произойти, если бы сель вместе с плотиной рухнул почти с двухкилометровой высоты на Алма-Ату. Вода в котловане всё прибывала и прибыва- ла, но люди не дремали; спешно монтирова- лись 16 мощных насосов для её откачки и три трубопровода для сброса воды в опустевшее после закупорки плотины русло Малой Ал- маатинки. Наконец, заработал один дизель, за ним – другой. Вода устремилась в нитку тру- бопровода и через плотину, по ступенчатому склону горы в русло Малой Алмаатинки. К утру вода в котловане стала постепенно убы- вать. Впервые в истории Средней Азии круп- нейшее стихийное бедствие было не только предсказано, но и встречено по точному плану, а затем нейтрализовано. Благодаря научному прогнозу, четкой организации работ и героизму людей была одержана победа в первой масштабной селевой схватке с грозной стихией. 119

4. Процессы в водохранилищах Совокупность водотоков и водоёмов в пределах какой-либо территории носит назва- ние гидрографической сети; её структура, как правило, является результатом весьма дли- тельных и сложных процессов, протекающих многие тысячелетия или катастрофических геологических явлений. Например, среди байкальских достопримечательностей залив-сор Провал на первый взгляд ничем особым не выделяется: низкие, порой заболоченные бе- рега, за ними песчаные холмы, а далее – невысокие отроги Морского хребта Знаменито это место своим геологически мгновенным «рождением»: в предновогод- ний день (по старому стилю) 12 января 1862 года часть дельты реки Селенги и прилега- ющей равнины Цаганской степи резко опу- стились на площади около 200 км2. Образо- вание Провала сопровождалось крупнейшим на Байкале за исторический период земле- трясением с магнитудой 7,5. Сущность ука- занных событий точно отражают географи- ческие названия: Провал и к северо-востоку от него – мыс Облом. Свойства гидрографической сети формируются под воздействием геологических, климатических и других факторов в совокупности с размывающей деятельностью воды. Среди факторов можно выделить, например, тектоническое движение земной коры, при- водящее к изменению русла водотоков и формированию котловин водоёмов; таяние лед- ников, вызывающее образование потоков талых вод, аккумуляцию аллювиальных отло- жений, изменение русла водотоков и т.д. В отличие от естественных воздействий на гидрографические сети, антропогенные воздействия по историческим масштабам являются кратковременными, что свойственно катастрофическим геологическим явлениям. Например, время наполнения крупных водо- хранилищ может измеряться годами и определяется сезонным поступлением воды по во- дотокам гидрографической сети: Иркутское водохранилище заполнялось 7 лет, Куйбы- шевское – 3 года, Богучарское – 4 года. Года в масштабе тысячелетий – это миг. Водохранилища по динамике водных масс и морфогенетике наиболее близки к естественным водным объектам суши – озёрам. Для них также характерно наличие котло- вины, представляющей собой отрицательную форму рельефа, в пределах которой и рас- положено водохранилище, а также чаши водохранилища – часть котловины, заполненная водой до высоты максимального подъёма уровня. В отличие от озёрных котловин выбор природного рельефа и проведение его гидротехнического дооборудования (возведение плотин, дамб, каналов, шлюзов и пр.) для создания водохранилища осуществляются с це- лью решения конкретных задач водного хозяйства по обеспечению населения, промыш- ленности и сельского хозяйства водой, а также поддержания оптимальных условий для функционирования водосборных бассейнов. Водохранилища являются управляемыми объектами. Это означает, что их основные параметры (объём, площадь, место расположения и режим регулирования), а вместе с ни- ми и многие другие характеристики, определяются человеком на стадии проектирования; в составе гидроузлов имеются специальные технические системы, сооружения и устрой- ства (гидротурбины, водосборные отверстия с затворами), позволяющие изменять объём и уровень воды в водохранилище. Если главная цель создания водохранилища – регулиро- вание стока в интересах решения задач энергетики, ирригации, водного транспорта, водо- снабжения и борьбы со стихийными бедствиями – достигается в проектных решениях, то 120

при эксплуатации водохранилищ всегда существует неопределённость, обусловленная стохастическим характером направлений и интенсивности гидрометеорологических про- цессов в водосборном бассейне. Для этого в водохранилищах аккумулируется сток в одни периоды года и отдаётся накопленная вода в другие периоды. Каждое создаваемое человеком водохранилище по своему является уникальным со- оружением, которое учитывает природные особенности региона и цели возведения. Раз- нообразие принятых инженерных решений определяет особые свойства водохранилищ, но при этом можно выделить наиболее характерные протекающие в них процессы. Так, чашу водохранилища под затопление подготавливают одновременно с основ- ными работами по устройству плотины. Территория, занимаемая плотиной, явля- ется строительной площадкой и освобожда- ется от всего, что мешает нормальному про- цессу ведения работ. На ней недопустимы какие-либо временные постройки или склады строительных материалов. Сначала строи- тельную площадку очищают от всевозмож- ной растительности (деревьев, кустарника) и переносят строения, если они попадают в эту зону. После этого в основании удаляют все включения, которые могут повлиять впо- следствии на устойчивость плотины или уве- личить фильтрационные потери воды водо- хранилища: пни, валуны, ранее забитые сваи, коммуникации, уложенные ниже поверхно- сти земли, и пр. Поверхностный растительный слой грунта снимают на глубину, предусмотренную проектом; дёрн, если его можно использовать для крепления откосов, снимают лентами и укладывают в штабеля за пределами строительной площадки в зоне нижнего бьефа пло- тины. Все грунты основания, не отвечающие требованиям проекта, также удаляют и скла- дывают в кавальеры. Кавальеры – насыпи выработанного грунта для его временного хранения. После проведения этих подготовительных работ основание плотины имеет изрезан- ную поверхность, поэтому следующий этап подготовки основания – заполнение всех углублений маловодопроницаемым грунтом или грунтом тела плотины. В скальных грун- тах верхний разрушившийся слой удаляют, а склоны, сложенные из неразрушившегося грунта, промывают струей воды под напором для лучшего сопряжения с телом плотины. Перед началом укладки грунта в насыпь все углубления (шурфы, приямки и пр.) тщательно забивают грунтом, а до этого выполняют обследование напластований грунтов основания для установления соответствия их проекту. В случае отклонения фактической геологии от материалов ранее проведенных изысканий вызывают представителей проект- ной организации для внесения коррективов в конструкцию плотины. Углубления забива- ют с тщательным трамбованием маловодопроницаемыми грунтами, предварительно отка- чав из них воду и удалив разжиженный грунт. Буровые скважины установок для пониже- ния уровня грунтовых вод, а также скважины, выполненные для исследования грунтов ос- нования, тщательно тампонируют. Если затампонировать скважины на низких отметках возведения плотины невозможно, ствол таких скважин наращивают и закрывают при ста- тическом уровне воды в трубах. Поскольку обсадные трубы таких скважин остаются в те- ле плотины, грунт вокруг них уплотняют с применением средств механизации или руч- ным трамбованием. При наличии в основании родников их также тампонируют, применяя для этого бездонные ящики с грунтом, подобранным по принципу обратному фильтру. 121

Первый слой грунта для обеспечения более плотного соединение насыпи укладыва- ют на спланированное основание с предварительным рыхлением его, а при недостаточной влажности грунта с увлажнением. Противофильтрационные устройства в основании пло- тин лучше выполнять после того, как дно котлована выровнено и подготовлено для укладки грунта насыпи. Грунт из траншей противофильтрационных устройств укладыва- ют в тело плотины, размещая его со стороны низового откоса. В траншеях с креплением стенок все связи, установленные перпендикулярно продольной оси, должны быть удале- ны. Снимают их по мере того, как они оказываются на уровне уплотняемого слоя. Остав- лять какой-либо крепежный материал допускается только при условии обоснования его безвредности в период эксплуатации плотины. Котловину водохранилища под затопление подготавливают одновременно с основными работами по устройству насыпи плотины; до заполнения его освобождается от леса, ку- старника и выполняют работы по санитарной подготовке. Часто очисткой от леса и кустар- ников пренебрегают, и не только в России. Контур водохранилища закрепляют зна- ками, которые служат ориентирами при вы- полнении работ по подготовке чаши для за- топления. Впервые в Сибири значительная лесоочистка чаши была проведена при строитель- стве Богучарского водохранилища, где было сведено 10,7×106 м3 хвойных и лиственных пород леса. До этого главным недостатком гидротехнического строительства в Сибири являлось практическое отсутствие лесосводки и лесоочистки. Лесосводка – вырубка то- варных лесонасаждений в целях получения товарной продукции; лесоочистка – очистка территории от леса. Засорение лесом ложа и акватории водохранилища являются следствием бесхозяй- ственности и нескоординированности работы различных ведомств. Так, например, в зоне затопления Братского водохранилища запасы древесины составили 36 млн. м3, Саяно- Шушенского – 3,7 м3, Вилюйского – 16,7 м3, Курейского – 1,7 м3, Богучарского – 12,1 м3. Наличие таких объёмов древесины оказало неблагоприятное воздействие на качество во- ды в водохранилищах, рекреацию, судоходство, работу ГЭС и т.д. Санитарная подготовка подлежащей затоплению территории проводится в целях обеспечения формирования надлежащего качества воды водохранилища, как источника хозяйственно-питьевого водоснабжения и для её использования населением в культурно- оздоровительных целях. В комплекс мероприятий по санитарной подготовке территории затопления входят: санитарная очистка территорий населенных пунктов, предприятий, зданий и соору- жений, подлежащих выносу, а также мест массивного загрязнения; очистка от древесной и кустарниковой растительности; мероприятия в местах захоронений; подготовка прибрежных участков водохранилищ около населенных пунктов – сани- тарных зон. Санитарная очистка территории затопления проводится на всей территории, подле- жащей постоянному или временному затоплению, подтоплению и берегообрушению, кроме территорий, подлежащих инженерной защите. На территории населенных пунктов, полностью или частично выносимых из зоны затопления, подлежат удалению мосты, те- леграфные столбы, фундаменты и другие сооружения, выступающие над землей более чем на 0,5 м. Оставшийся строительный мусор, солома, гнилая древесина и др. сжигаются на месте, металлический лом собирается и вывозится за пределы территории зоны санитар- 122

ной очистки. Нечистоты из уборных и бытовые отбросы вывозятся за пределы территории зоны санитарной очистки на специально отведенные участки или специальные сооруже- ния по обеззараживанию и переработке. Санитарная очистка территории животноводческих объектов, а также предприятий по хранению и обработке сырья животного происхождения, попадающих в зону затопле- ния, подтопления и берегообрушения, проводится следующим образом: навоз, навозные стоки и мусор обеззараживаются, после чего вывозятся на сельскохозяйственные поля; почва животноводческих помещений, загонов, выгульных дворов и др. прожигается с применением горючих материалов или орошается растворами двутрети основной соли ги- похлорита кальция (ДТС ГК) или хлорной извести, содержащей не менее 5% активного хлора. После этого слой почвы глубиной до чистого вывозится за пределы территории за- топления, подтопления и берегообрушения и закапывается на территории скотомогильни- ка на глубину не менее 2 м. После снятия и вывоза грунта территория хозяйства засыпает- ся сухими препаратами ДТС ГК или хлорной извести из расчета 5 кг на 1 м 2 площади, увлажняется и перепахивается на глубину до чистого слоя. Очистные канализационные сооружения, свалки, поля ассенизации, орошения и фильтрации, попадающие в зону санитарной очистки, подлежат закрытию. Места распо- ложения указанных сооружений должны быть перепаханы в зоне мертвого объема не позднее, чем за один весенне-летний сезон до заполнения водохранилища. В зоне сработ- ки водохранилища, подтопления и берегообрушения на территории указанных сооруже- ний необходимо производить выемку слоя загрязнённого грунта до чистого с вывозом его за пределы территории прогнозируемого подтопления и берегообрушения с последующим обеззараживанием территории сухой хлорной известью с засыпкой чистым грунтом. Очистка территории после переноса промышленных предприятий производится с учетом тех же требований, что и для населенных пунктов. Промышленные отходы пред- приятий вывозят транспортом на специальные сооружения или полигоны. Территория кожевенных заводов, предприятий по мойке шерсти, боен, утильзаводов по переработке трупов павших животных, складов ядохимикатов, горюче-смазочных материалов, храни- лищ токсичных и других опасных в санитарном отношении отходов подлежит дезинфек- ции, дегазации и дезактивации с последующим снятием слоя грунта до чистого, вывозом его за пределы зоны санитарной очистки, обезвреживанием или захоронением в местах, согласованных с санитарно-эпидемиологической службой. Скважины (артезианские, геологоразведочные, нефтяные и другие) как функциони- рующие, так и нефункционирующие, попадающие в зону санитарной очистки, подлежат засыпке или тампонажу. Очистка от древесной и кустарниковой растительности подлежит на территории сработки водохранилища от уровня воды или НПУ до максимальной сработки плюс 2 м ниже с оставлением пней не выше 50 см. В местах предназначенных для строительства водозаборных сооружений территория чаши водохранилища в пределах от НПУ до мак- симальной сработки и на 2 м ниже радиусом 3 км от места водозабора должна быть очи- щена от всей древесной растительности вровень с землей. Лесосводка и лесоочистка обязательна в пределах санитарных зон населенных пунк- тов. При лесоочистке древесные и порубочные остатки, если они не могут быть использо- ваны или вывезены, сжигаются на месте без оставления недожогов. Наиболее трудоемкой и вместе с тем наиболее ответственной операцией санитарной подготовки ложа водохранилища является обработка мест массовых захоронений. Если такие места расположены на склонах и можно ожидать обрушения или оползания, наибо- лее целесообразно перенести захоронения на вновь отведенные участки за пределами во- дохранилища. Все мероприятия по санитарной обработке водохранилища предварительно согла- суют с органами Государственной санитарной инспекции, под контролем которой и про- водят всю работу. 123

4.1. Процессы техногенеза водохранилищ По масштабам воздействия на природу сооружение водохранилищ относится к наиболее крупным проявлениям техногенеза, оказывающим глобальное влияние на био- сферу нашей планеты. Техногенез – происхождение и изменение ландшафтов под воздей- ствием производственной деятельности человека. Заключается в преобразовании биосфе- ры, вызываемом совокупностью механических, геохимических и геофизических процес- сов, создаёт как положительный, так и отрицательный эффект в гидростроении. Примером положительного техногенеза во- дохранилищ может быть возведение Кокараль- ской дамбы, которая превратила Малое Араль- ское море в водохранилище, уменьшила его ка- тастрофическое сокращение и имеет важно зна- чение для улучшения экологии и социально- экономического развития в Кызылординской области Казахстана. Отрицательные проявления техногенеза связывают с изменением гидроло- гического режима региона, активизацией экзо- генных геологических процессов, заиливанием, переработкой берегов и т.д. Гидрология региона. Создание водохранилища приводит к изменению гидрологи- ческого режима региона: затрудняется сток грунтовых вод, снижается природная дрени- рованность и подтопляются территории, что нарушает в них структуру и состав биогеоце- нозов, вызывает эвтрофирование и ухудшает санитарное состояние. Биогеоценоз [от греч. βίος - жизнь, γη - земля + κοινός - общий] – система, включаю- щая сообщество живых организмов и тесно связанную с ним совокупность абиотических факторов среды в пределах одной территории, связанные между собой круговоротом ве- щества и потоком энергии (природная экосистема). Затопление и подтопление значительных площадей плодородных и застроенных зе- мель, заболачивание и засоление поверхностных и подземных вод, пород зоны аэрации и почв ведут к их деградации и изъятию из сельскохозяйственного использования. Напри- мер, существующими крупными водохранилищами Сибири (объём более 1 км3) затоплено почти 10 млн. га сельскохозяйственных земель. При этом следует отметить, что площадь сельскохозяйственных земель России на 2014 год составила 215 млн. га. При строитель- стве Братской ГЭС и водохранилища не успели вырубить тайгу, в результате под воду ушло почти 40 млн. м3 древесины. Теряются не только земля и леса, но происходят мо- ральные, исторические, этнические, культурные и экономические потери: затопляются древние города и населённые пункты, подтопляются автомобильные и железные дороги, уходят под воду исторически значимые территории и т.д. В результате сезонного и многолетнего регулирования происходит снижение водно- го стока в половодье и увеличение в межень. За счет перемешивания речных вод в водо- хранилищах и усреднения их химического состава нивелируются существенные различия в содержании главных ионов. По мере становления водохранилищ начинают проявляться тенденции к накоплению биогенных соединений. В водохранилищах аккумулируется до 90-97% твердого стока рек. За счет этого сток взвесей в реках с каскадом водохранилищ уменьшается в 4-8 раз. Так как гидробиологический режим водохранилищ существенно отличается от реч- ного, то биомасса в водохранилище образуется интенсивнее, меняется видовой состав флоры и фауны. На ряде водохранилищ в первые годы их эксплуатации появлялись пла- вающие торфяные острова площадью до нескольких квадратных метров. 124

Затопление территории приводит к деградации почв и гибели наземной растительно- сти. На мелководьях формируются ассоциации высшей водной и прибрежно-водной рас- тительности. В зоне периодического затопления и заболачивания образуются болотные и торфяно-болотные почвы, на которых преобладают гигрофиты (наземно-водные растения, погружённые в воду только своими нижними частями и растущие по берегам водоёмов, на мелководьях и на болотах, например, тростник обыкновенный). В зоне подтопления грун- товые воды находятся на небольших глубинах (1-3 м). За счет этого происходит увлажне- ние и олугование почв, увеличивается биомасса растительных сообществ. Водохранилища существенно изменяют ландшафт речных долин, а регулирование стока преобразует естественный гидрологический режим рек в пределах подпора. В ре- зультате заполнения водохранилищ происходит подпор грунтовых вод и повышение их уровня, приводящие к снижению дренирующей роли водотоков. Так, после строительства Новосибирского водохранилища приток в него грунтовых вод уменьшился в 63 раза по сравнению с естественными речными условиями. В некоторых случаях изменяются направления течения подземных вод в сторону другого водотока с более низким уровнем. Подпор грунтовых вод, в зависимости от местных гидрогеологических условий, наблюда- ется в зоне шириной от нескольких десятков метров до многих километров. Подъём их уровня приводит к подтоплению фундаментов зданий, подземных коммуникаций, сель- скохозяйственных и других угодий, расположенных в прибрежной зоне водохранилища. Нарушение гидрологического режима рек, вызванное гидротехническим строитель- ством, ведёт к засолению и эвтрофикации, уменьшение скорости течения вызывает выпа- дение наносов и заиление. Создание водохранилищ и крупных ГЭС оказало негативное влияние на режим мно- гих речных систем, в частности, сооружение Волжско-Камского и Днепровского каскадов превратило великие самоочищающиеся реки в непрерывные цепи гниющих рукотворных водоёмов. Последствиями этого являются безвозвратные потери больших объёмов прес- ной воды, гибель рыбы и ухудшение общего санитарно-гигиенического состояния на при- легающих территориях. В целом водохранилище для реки представляет собой комплексный геохимический барьер (механический, сорбционный, щелочной, биогеохимический), на котором осажда- ются терригенные взвеси, карбонат кальция, органическое вещество и содержащиеся в них сорбированные ионы химических элементов. В водохранилищах устанавливается своеоб- разный гидробиологический режим, отличный от речного режима. В большинстве случаев изменя- ется видовой состав фитопланктона – значитель- но увеличивается биомасса и продукция органи- ческого вещества. Ведущее значение приобре- тают сине-зеленые водоросли, по сравнению с диатомовыми в обычных естественных условиях составляющие до 80-90% массы водорослей. Сине-зеленые водоросли (Cyanophyta) это на са- мом деле не водоросли, а колонии бактерий. Зарегулирование речного стока способствует усиленному эвтрофированию водое- мов. Эвтрофикация [от др.-греч. εὐτροφία - хорошее питание] – насыщение водоёмов био- генными элементами, сопровождающееся ростом биологической продуктивности водных бассейнов. Повышение запаса питательных веществ в водных объектах происходит под влиянием природных и антропогенных факторов. Основные природные факторы: речной и поверхностный сток, фотосинтез и фиксация азота биологическими системами, аллох- тонное органическое вещество. Однако естественное эвтрофирование – слабый и длитель- ный процесс, резко интенсифицирующийся в условиях техногенеза. 125

Избыточное накопление биогенных образований в водохранилищах связано с их по- ступлением из затопленных почв, с промышленными, хозяйственно-бытовыми и сельско- хозяйственными стоками, из донных отложений, разлагающихся остатков фитопланктона и высшей водной растительности. К числу наиболее негативных проявлений относится цветение воды водохранилища, что определяется в основном сине-зелеными водорослями. Их бурному развитию благо- приятствует ослабленное течение, высокое содержание в воде органического вещества, усиленное поступление биогенных элементов, т.е. такие условия, которые в наибольшей степени присущи равнинным водохранилищам. Заметная окраска воды наблюдается уже при концентрации сине-зеленых водорослей 1 г/м3, но нередко их биомасса достигает зна- чений 1500 г/м3 и более. Увеличение массы фитопланктона до 30-40 г/м3 не нарушает функционирования экосистемы. При концентрации сине-зеленых водорослей до 50-100 г/м3 процессы деструкции проходят более активно по сравнению с продукцией, а рост биомассы до 200- 300 г/м3 ведёт к нарушению фотосинтеза, массовому отмиранию и раз- рушению водорослей, поглощению кислорода и выделению продуктов распада. В резуль- тате происходит вторичное биологическое загрязнение, ухудшается качество воды и сани- тарное состояние водоёма. В пятнах цветения, по сравнению с незагрязненными участка- ми, содержание органических веществ возрастает в 20-150 раз, NН4 – в 4-115 раз, фосфа- тов в 5-10 раз. Появляются фенолы, цианиды и прочие вредные для животных и человека вещества. Кроме того, массовое развитие, а затем и разрушение водорослей, вызывает увеличение щелочности воды, снижает содержание кислорода в придонных водах. Величина биомассы сине-зеленых водорослей во многом зависит от содержания в воде биогенных элементов. В связи с этим одним из главных методов борьбы с цветением воды является ограничение антропогенного эвтрофирования водохранилища. Гидрометеорология региона. В прибрежной зоне под влиянием водохранилища происходит изменение микроклимата. Для крупных водохранилищ отмечаются изме- нения климата в узкой прибрежной полосе шири- ной 3-10 км, которая возрастает в районах с избы- точным увлажнением и снижается в засушливых областях. Весной на побережье водохранилища оказывают охлаждающее влияние, осенью и в начале зимы – отепляющее. Климат – это статистический режим атмосферных условий (условий погоды), харак- терный для каждого данного места на Земле в силу его географического положения. Этот режим может меняться от одного многолетнего промежутка времени к другому, причём такие изменения в историческое время имеют обычно характер колебаний [29]. Климатические преобразования водоёмов выражаются в сглаживании резких коле- баний температур (смягчается суточный и годовой температурный режим), в увеличении влажности воздуха, скорости и повторяемости ветров. При прохождении ветрового потока с суши на водоём происходит изменение ветрового режима. Так, например, на участках с различным береговым рельефом разворот розы ветров возможен до 450. Создание водо- хранилища значительно влияет на скорость ветра в сторону её увеличения в среднем за год на 15-20 %, а в отдельные осенние месяцы – до 30 %. На водохранилищах высота вет- ровых волн больше, чем на реках (до 3 м и более). В нижнем бьефе изменяется температурный и ледовый режим водотоков, образуют- ся не замерзающие всю зиму полыньи, иногда длиной в десятки километров. В результате изменения гидрологического режима реки, зарегулированной водохранилищами, при большом влагонасыщении и низких температурах воздуха в конце осени и зимой возмож- но развитие туманов и испарений. 126

Деструкция котловины водохранилища. Берега водохранилища часто представ- ляют собой неустойчивую форму рельефа, наблюдается развитие экзогенных геологиче- ских процессов: эрозия, суффозия (процесс вымывания мелких частиц из горных пород без разрушения их структуры фильтрующейся водой, часто сопровождающийся оседани- ем вышележащих пород, образованием воронок, провалов и т.п.), оползни и др. Берега легко размываются волнами, в резуль- тате чего под воду уходят сельскохозяйственные, лесные, рекреационные и другие угодья. Усиле- нию абразии (размывающее действие прибоя волн) способствуют штормовые ветры. Интен- сивная переработка берегов водохранилищ и их обрушение ведут к загрязнению воды в водохра- нилищах и ухудшению её качества вследствие минерализации. Твёрдый сток рек, переработка и обрушение берегов приводят к изменению структуры ложа и заиливанию. Ярким примером катастрофического развития экзогенных геологических процессов котловины водохранилища является оползень берегов водохранилища на реке Вайонт, явившийся результатом недостаточной геологической разведки региона при проектирова- нии. В 1959 году была возведена арочная бетонная плотина Вайонт рядом с горой Монте Ток на одноимённой реке Вайонт, притоке реки Пьяве, впадающей в Венецианский залив Адриатического моря. Плотина имеет высоту 261,6 м, длину по гребню 190 м, ширину по основанию 23 м и ширину по гребню 3,9 м. Плотина считается одной из самых «изящных» плотин в мире. В феврале 1960 года началось заполнение водохранилища и в марте, ко- гда уровень воды достиг 130 метров, начались слабые подвижки грунта котловины. В октябре 1960 года (уровень воды 170 м) на южном склоне горы открылась двухкилометро- вая трещина, и склон горы начал сползать в во- дохранилище со скоростью 3-4 см/сутки. Запол- нение водохранилища не было прекращено и 4 ноября 1960 года, при отметке воды в 190 м, сошёл первый большой оползень объёмом око- ло 800 тыс. м3. После этого уровень воды был снижен до отметки 50 м, инженеры приступили к исследованиям и пришли к выводу, что в ближайшем будущем будет новый оползень, который разделит водохранилище пополам. Во избежание этого приступили к сооружению специальной галереи по дну водо- хранилища для того, чтобы, когда сойдет следующий оползень и перекроет водохрани- лище поперек, его две части работали как сообщающиеся сосуды через построенную га- лерею. Строительство галереи закончилось в октябре 1961 года, после чего наполнение водохранилища было возобновлено, несмотря на продолжавшиеся подвижки грунта и землетрясения в 4-4,9 баллов по шкале Рихтера. Землетрясения были зарегистрированы в апреле и мае 1962 года. С октября 1961 по лето 1963 года подвижки склона всё возрастали. В сентябре 1963 года весь склон горы съехал на 22 см, а в начале октября за раз съехал на целый метр. После этого было принято решение о спуске воды, но было уже поздно. 9 октября 1963 года огромный оползень из 260 млн. м3 леса, земли и камней сошел в водохранилище со скоростью 110 км/час. Водохранилище было засыпано оползнем на высоту 170 м, а вода объёмом в 50 млн. м3 перелилась через край плотины и обрушилась смертельным валом высотой в 150 м на долину реки, сметая всё на своем пути. По долине этот массив воды 127

уже катился с высотой в 20 м, но и этого было более чем достаточно для трагедии. Всего за семь минут вода произвела чудовищные по масштабам разрушения. Волна полностью разрушила пять деревень в долине реки Пьяве (Вилланова, Лонгароне, Пираджо, Ривальта и Фаз), а также подвергла серьезным разрушением еще несколько населенных пунктов. В потоках грязи, камней и воды погибло от 1900 до 2500 человек (некоторые источники го- ворят о 3000 жертв). После создания водохранилища активно развиваются процессы переформирования рельефа береговой зоны: размыв, обрушение, оползание на одних участках и аккумуляция материала на других. Главными факторами этих процессов являются: гидродинамический режим (ветровое волнение, вдольбереговые течения), периодические изменения уровня воды, неустойчивость береговых пород и пр. По мере увеличения продолжительности су- ществования водохранилища и выработки устойчивого профиля интенсивность перефор- мирования береговой линии уменьшается, сокращается её длина и изрезанность. Строительство плотины снижает скорость потока, что приводит к осаждению пере- носимых рекой наносов. В результате основная часть твердого стока рек аккумулируется в водохранилищах. Количественную характеристику процессов транспортировки и акку- муляции вещества даёт уравнение материального баланса: МР + МП + МЭ + МБ + МД + МПЛ + МБН + МВР + МА = МС + МО, (4.1) где МР – взвешенные и влекомые наносы основного потока; МП – взвешенные и влекомые наносы боковых притоков; МЭ – материал эолового (ветрового) переноса; МБ, МД – материал размыва берегов и дна; МПЛ, МБН, МВР – вещество, поступившее с планктоном, бентосом (организмы, оби- тающие на грунте и в грунте дна водоёмов) и с высшей водной растительностью; МА – антропогенные стоки; МС – сток через гидроузлы; МО – аккумуляция в водохранилище. Главным источникам вещества в водохранилищах является твердый сток с водо- сборной площади (донная и береговая абразия). Например, поступление вещества от стока наносов: Рыбинское водохранилище – 791 тыс. т/год (от общей величины – 18%), Кремен- чугское водохранилище – 948 тыс. т/год (10%); от размыва берегов и дна: Рыбинское во- дохранилище – 3625 тыс. т/год (80 %), Кременчугское водохранилище – 7870 тыс. т/год (87%). Поступление за счет других факторов не превышает 1-10% от суммарной величины процессов транспортировки и аккумуляции вещества. Специфической особенностью равнинных водохранилищ является размыв берегов и дна, часто сложенных рыхлыми осадочными поро- дами (Куйбышевское водохранилище имеет общую протяженность берегов 2500 км, раз- мываемых – 1400 км). Причём этот процесс захватывает значительную часть береговой ли- нии и наиболее распространён в водохранили- щах степной зоны (Цимлянское водохранили- ще имеет общую протяженность берегов 660 км, размываемых – 462 км). Количество поступающего при этом абразионного материала значительно превыша- ет твёрдый сток рек, а для внутрикаскадных водоёмов этот источник минерального веще- 128

ства является основным. Большая часть поступившего материала (70-99%) аккумулирует- ся в водохранилище, а меньшая (преимущественно тонкодисперсные минеральные и ор- ганические взвеси) выносится через гидроузлы. Интенсивность заиления водохранилища зависит, прежде всего, от скорости течения. Чем меньше проточность, тем большая акку- мулирующая способность. Мощность илов за год увеличивается в среднем на 0,3-3,0 см. Для сравнения, значение этого показателя в прудах составляет десятки сантиметров в год, в крупных озерах доли сантиметров в год, в морях и океанах сантиметры в 1000 лет. При сохраняющихся темпах накопления осадков для заполнения чаши водохранилища потре- буется несколько сот лет. Методические указания по разработке правил использования водохранилищ, утверждённые приказом Минприроды Рос- сии от 26 января 2011 года №17, рекомен- дуют для борьбы с заилением проводить глубокий и мелкий промывы, концентриро- ванные попуски через донные отверстия или попуски наносов в обход водохранилища. Глубокий промыв – максимально возмож- ное в половодный период снижение уровня верхнего бьефа (желательно через отверстия с наиболее низкими отметками порога). Значение промывных расходов зависит от ширины и глубины бьефа, пропускной способности гидроузла, характеристик отложений наносов. Ориентировочно оптимальный промывной расход – удвоенный среднегодовой расход в течение 8-10 суток. Оптимальный расход воды и продолжительность промывки могут быть определены опытным путём. Достоинства промывки – высокая интенсивность и объём удаления наносов. Ограничения и основные недостатки глубокой промывки: обеспечить наполнение водохранилища до НПУ к моменту завершения половодья; невозможность регулирования мутности воды в нижнем бьефе; возможно отложение наносов в нижнем бьефе с последующим, если это необходимо, их удалением путем организации залповых пропусков; для повышения эффективности промыва может потребоваться механический способ удаления наносов путем устройства каналов в теле наносов, сообщаемых с транзитным потоком, или смещение наносов в зону транзитного потока; скорость снижения уровня ограничивается устойчивостью береговых откосов. Мелкий промыв – постепенное многоступенчатое снижение уровня верхнего бьефа. Размер каждой ступени определяется достижением в нижнем бьефе допустимой мутности, определяемой опытным путем. Ориентировочная продолжительность промыва от 10 суток до 1-2 месяцев. Достоинства промывки – возможность регулирования мутности в нижнем бьефе. Ограничения и основные недостатки мелкой промывки: интенсивность и объём удаления наносов ниже, чем при глубоком промыве; возможно отложение наносов в нижнем бьефе с последующим, если это необходимо, их удалением путем организации залповых пропусков; для повышения эффективности промыва может потребоваться механический способ удаления наносов путем устройства каналов в теле наносов, сообщаемых с транзитным потоком, или смещение наносов в зону транзитного потока; скорость снижения уровня ограничивается устойчивостью береговых откосов. Концентрированные попуски через донные отверстия оказывают влияние на уровен- ный режим верхнего бьефа незначительно. 129

Достоинства – незначительные потери воды на промыв; промыв наносов в нижнем бьефе водохранилища. Ограничения и основные недостатки концентрированных попусков через донные от- верстия плотины: эффективность небольшая, захватывается небольшая часть наносных отложений в непосредственной близости от водопропускных отверстий; попуски ограничиваются для обеспечения сохранности сооружений в нижнем бьефе. Пропуск наносов в обход водохранилища – вынужденная сработка уровня верхнего бьефа в половодный период. Достоинства – резкое снижение поступления наносов в водо- хранилище. Ограничения и основные недостатки пропуска наносов в обход водохранилища: большие капитальные вложения в строительство отстойников, туннелей, обводных каналов; обеспечение наполнения водохранилища к моменту завершения периода поступле- ния наибольшего объёма наносов. Оптимальное значение промывных расходов и время промыва зависит от ширины и глубины бьефа, пропускной способности отверстий, используемых для промыва. При ма- лой пропускной способности отверстий промыв организуется в маловодное время года, при большой – в период половодья. Ориентировочное целесообразное снижение напора при промыве через поверхностные отверстия на 50 %, через глубинные – на 75 % нор- мального эксплуатационного напора. При наличии водохранилища ниже промываемого бьефа применение промыва ограничивается. После постройки плотины в верхнем бьефе создаётся водохранилище, что коренным образом меняет условия, ранее существовавшие для берегов и прибрежных склонов. Бере- га покрываются водой в зависимости от величины её подъема. Урез воды перемещается на более высокий уровень, что создает совершенно новые условия равновесия пород на склоне как выше, так и ниже уровня зеркала водохранилища. Под влиянием иных факто- ров, чем те, которые принимали участие в формировании берегов и склонов неподпру- женной реки, по берегам водохранилища устанавливаются новые формы склонов. При создании водохранилища размыв берегов течением (эрозия) сменяется размы- вающим действием прибоя волн (абразией), поэтому процессы переработки берегов водо- хранилища аналогичны абразии по берегам морей и озёр. Под воздействием абразии, вы- зываемой ветровыми и судовыми волнами, а также другими факторами, береговой склон водохранилища разрушается и вырабатывается новый профиль равновесия. В результате переработки надводная часть берегового склона отступает и приобре- тает новые очертания, а в подводной части склона, в пределах зоны сработки уровня во- дохранилища и глубины абразирующего действия волны, формируется абразионно- аккумулятивная отмель с большей или меньшей крутизной поверхности. Чем прочнее по- роды, слагающие склон, тем более крупный материал представляют собой продукты их разрушения и более крутой будет форма бечевника (полоса суши вдоль берегов водных объектов), образовавшегося из этого материала. Верхняя часть бечевника, самая крутая, вырабатывается за время весеннего паводка, а самая отлогая – в межень. Среди водохранилищ выделяются равнинные и горные. Равнинные водохранилища характеризуются широкой акваторией, на которой поднимаются волны до 2-3 м, сильно абразирующие берега; небольшой глубиной, порядка первых десятков метров, и малой величиной сработки уровня – до нескольких метров. Горные водохранилища устраиваются в долинах горных рек и каньонах. Акватории их значительно меньше равнинных, но глубина измеряется десятками, а иногда несколь- кими сотнями метров. Для них, наряду с абразией, характерно сильное выветривание гор- ных пород, способствующее развитию осыпей, обвалов и оползней по высоким береговым склонам в зоне сработки уровня водохранилищ, измеряемой несколькими десятками мет- ров. Поэтому при проектировании горных водохранилищ особое внимание уделяют воз- 130

можности возникновения оползней. Например, при создании Токтогульского водохрани- лища на реке Нарын, Рогунского – на реке Вахш и др. Формы и скорость переработки берегов в различных горных породах различны. Наиболее интенсивно она протекает в первые 2-3 года эксплуатации водохранилища; да- лее, как правило, постепенно угасает по мере развития отмели и выравнивания береговой линии. Скорость при всех равных прочих условиях возрастает с увеличением степени размываемости пород, слагающих береговую полосу. При средней высоте откоса 2-4 м скорость разрушения береговой полосы в течение одного года бывает: для лёссовых пород – до 8 м и более, для различных песков – до 2 м, для глинистых пород – до 1 м. В первые годы эксплуатации скорость отступания бровки берега, особенно в легко- размываемых породах, составляет десятки метров, общая же ширина зоны переработки может достигнуть нескольких сотен метров. Наиболее интенсивно переработка идет на берегах, наветренных по отношению к господ- ствующим ветрам, если в этом направлении зеркало водохранилища имеет большую шири- ну. Форма зависит от рельефа – изрезанности береговой полосы, а также формы и угла наклона береговых склонов. Пологие берега с углом наклона до 40 подмываются слабо. В та- ких местах образуется широкая полоса болот. При крутизне склонов 5-100 создается пологий бечевник и на этом размыв заканчивается. Наибольший размыв наблюдается вдоль крутых склонов с наклоном от 10 0 до 900. При изучении условий переформирования берегов водохранилища рекомендуется наме- тить места, где ожидается их значительная переработка, которая будет затрагивать важ- ные в хозяйственном отношении участки: населенные пункты, промышленные объекты, дороги, ценные угодья, месторождения полезных ископаемых, и принять меры для их за- щиты. Таблица 19 – Меры защиты берегов водохранилищ Мероприятие Виды укреплений берегов Каменная мостовая, камень в плетеных ивовых корзинах, габионы (камень в Укрепление проволочных сетках), бетонные плиты, асфальтовые покрытия, фашинно- береговых хворостяные покрытия, лесомелиорация (посадка корнеотпрысковых растений), склонов свайные стенки, шпунтовые заборы, мелиорация грунтов (цементация, силика- тизация, обжиг и пр.) Гашение Защитные дамбы и волноломы, посадка подводной растительности у берегов, энергии буны или шпоры, намыв отмелей, уполаживание подводного склона волнения При создании водохранилища изменяется режим грунтовых вод, в результате чего могут возникнуть склоновые процессы различного характера, включая гравитационные смещения пород – обвалы, осыпи и оползни. Способствует развитию оползней и подмыв склонов, с которым нужно вести борьбу, сводящуюся к следующему: пассивная защита (мероприятия, не изменяющие режима водоёма или водотока): со- оружение стенок набережных, волноотбойных стен, опоясок; покрытие склонов железобе- тонными плитами и отмостками; создание искусственных пляжей и др.; активная защита (мероприятия, воздействующие на режим водоёма или водотока): сооружение поперечных бун и продольных волноломов на берегах водоёмов, струена- правляющих дамб, поперечных полузапруд, шпор на крупных реках, отвод водотоков, спрямление русел и т.п. 131

Деструкция имеет место не только у реч- ных, но и у озёрных водохранилищ. Подъём уровня воды на Байкале при заполнении водо- хранилища Иркутского гидроузла вызвал под- пор грунтовых вод, затопление и усиление за- болачивания низменных сельскохозяйствен- ных и лесных угодий и ряда населённых пунк- тов. Кроме того, подъём уровня вызвал коле- бание грунтовых вод в течение года. Этот по- казатель наиболее характерен для дельт рек Селенги, Верхней Ангары и Баргузина, где амплитуда колебаний в среднем равна 82 см. Повышение уровня начинается в мае, а его максимум приходится на сентябрь - ок- тябрь. Соответственно, изменяется уровень вод побережья Байкала: в весенний и ранне- летний период он низкий, а осенью самый высокий. Следовательно, изменение уровня грунтовых вод в пределах дельт зависит не только от повышения уровня воды в реках, но и от количества летних осадков и подпора со стороны Байкала. Обычно подземные воды до поднятия уровня Байкала залегали на небольшой глу- бине, уклон зеркала грунтовых вод составлял в среднем 0,003-0,004. После подпора под- земных вод со стороны Байкала их уровень во многих местах достиг дневной поверхно- сти. Ширина полосы, где сказался подпор подземных вод, например, в дельте реки Селен- ги, оценивается в 5-7 км и более. Это связано с весьма низким уклоном грунтового потока. Повышение уровня озера Байкал привело к затоплению и подтоплению свыше 550 км 2 низменных участков побережья (в дельтах рек Селенги – свыше 350, Верхней Ангары – около 120 и Баргузина – 30-40 км2). Площадь затопления дельтовых участков малых рек и заливов – около 50 км2. Величины отступления внешнего края дельты реки Селенги и площади затопления зависят от положения уровня воды на Байкале. В результате такой зависимости от Байкала затопляемая часть чаще всего отделена песчано-галечным пляжем полного профиля. Это обстоятельство оказало существенное влияние на развитие режима низменной подтоплен- ной и затопленной территории. Возник лагунный тип берега. В осенний штормовой пери- од вследствие нагона и заплеска волн через пляж уровень воды в лагунах на 15-20 см пре- вышает уровень озера. В результате этого значительно увеличивается площадь затопляе- мого побережья. Наиболее интенсивно процесс заболачивания происходит в Калтусном прогибе в дельтовой части реки Селенги (заболоченный массив между сёлами Посольск и Закалтус). Здесь уровень подземных вод расположен на глубине 0,0-1,0 м. До минимальных отметок он опускается в феврале - марте, когда поверхностное питание подземных вод практиче- ски отсутствует. В период весеннего снеготаяния и интенсивных летних дождей подзем- ные воды выступают на поверхность, затапливая обширные пространства и способствуя заболачиванию земель. Если до подпора Байкала уклон их зеркала обеспечивал некоторую разгрузку потока в озеро, то в настоящее время в условиях подпора со стороны Байкала такая разгрузка почти исключена. На подтопленной территории побережья хорошо выражен сезонный режим развития растительности. В весенне-летний период, при низком положении уровня на Байкале, эта территория оказывается свободной от воды и интенсивно покрывается болотной расти- тельностью. С повышением уровня во второй половине лета она затапливается, расти- тельный покров отмирает, и в лагунах образуется биогенный материал, служащий осно- вой для накопления торфяников, т.е. происходит переформирование ландшафта в целом. Площадь затопления и подтопления сельскохозяйственных угодий составляет: по Кабан- скому району – 20624 га, по Северобайкальскому – 10600 га и по Баргузинскому – 8000 га. 132

Обычно заметное снижение уровня подземных вод на побережье Байкала начинается только в декабре, когда прекращается поверхностное питание подземных вод, а также уменьшается их напор, вызванный внутригодовыми колебаниями озера. А подъём уровня, наблюдаемый в середине января, связан, по-видимому, с интенсивным промерзанием поч- вы в это время и выжиманием подземных вод в пунктах искусственного водозабора. Подъем уровня Байкала, помимо подпора подземных вод, оказал значительное влия- ние на поверхностные водотоки. Скорость течения рек, впадающих в озеро в пределах межгорных впадин, заметно снизилась. С 1962 года русла рек претерпели значительные изменения. Прежде всего, стали интенсивно развиваться процессы их заиливания. Так, приустьевые части рек, впадающих в Байкал, в настоящее время значительно заилены по сравнению с периодом до подъема уровня воды на Байкале. В устьях некоторых рек (Мак- симиха, Турка, Кика, Большая речка, Мишиха и др.) происходит процесс аккумуляции пляжевого материала и образования песчаных валов высотой до 2 м. Немаловажную роль в развитии процессов заболачивания играет сезонное промер- зание грунтов. Торфяники, илы, глины, образовавшиеся в болотных условиях, промерзая зимой на глубину 0,8-1,0 м, очень долго оттаивают и тем самым значительно ухудшают инфильтрацию поверхностных вод снеготаяния. Сейсмические явления, вы- званные сооружением водохра- нилищ. В последнее время изу- чается вопрос о возникновении землетрясений в связи с создани- ем крупных и глубоких водохра- нилищ. Установлено, что в гор- ной местности большие водо- хранилища перед высотными плотинами повышают сейсмич- ность района. В сейсмоактивных областях создание искусствен- ных водохранилищ вызывает землетрясения. Один из первых случаев возникновения сейсмических явлений при заполнении во- дохранилища был отмечен в 1932 году во время строительства в Алжире на реке Уэд- Фодда гравитационной плотины Фодда высотой 100 м. В основании плотины залегают нижнеюрские плотные и прочные сильнотрещиноватые известняки. Сооружение находит- ся в зоне антиклинального поднятия, осложнённого рядом сбросов со значительной ам- плитудой смещений. В период заполнения водохранилища (конец 1932 - май 1933 года) наблюдались многочисленные сейсмические толчки, исходившие из гипоцентра, который находился на глубине 300 м, достигавшие 7 баллов по 12-балльной шкале. После оконча- ния заполнения водохранилища сейсмические толчки прекратились. Позднее землетрясе- ния с такой же гносеологией были зафиксированы в Австралии, Греции, Индии, Италии, Пакистане, России, США, Франции, Швейцарии, Японии и других странах. В 1970 году ЮНЕСКО создало рабочую группу экспертов для изучения всей инфор- мации об искусственно вызванных сейсмических явлениях. Вскоре советский эксперт Н.И. Николаев пришел к выводу (1972 год), что искусственные землетрясения образуются в областях, где наблюдаются сейсмическая активность и интенсивное проявление текто- нических напряжений. Под влиянием современных тектонических движений в условиях сложного геологического строения в массивах пород возникает неравномерное напряжён- ное состояние и развиваются деформации, охватывающие участки с высоким давлением пластовых и трещинных вод. 133

Механизм возникновения искусственных землетрясений пока недостаточно ясен, но можно предположить, что вследствие проникновения воды из водохранилища в массив пород увеличиваются поротрещинное давление и напряжённое состояние пород по разло- мам и зонам ослабления, что и вызывает землетрясение. При этом нагрузка от водохрани- лища способствует движению пород, а физическое взаимодействие молекул воды со скальными породами снижает их прочность. Основными мероприятиями по уменьшению возбуждённой водохранилищем сей- смичности является контроль и регулирование скорости наполнения водохранилища. С целью предотвращения обрушения и оползания большой массы грунта в водохранилище можно использовать для его укрепления цементацию, замораживание, химические воздей- ствия и взрывы. 4.2. Процессы техногенеза плотин водохранилищ Режим рек. Гидротехнические сооружения существенно влияют на режим рек. От- личительной особенностью водохранилища является то, что в пределах подпора течение воды в реке, кроме хвостовой части (верховьев) водохранилища, практически перестает действовать как эрозионный фактор. В хвостовой части, особенно при больших по вели- чине сработках водохранилища, течение наблюдается, но значительно слабее, чем до под- пруживания реки. Поэтому эрозия перестает играть существенную роль. Зато малая про- точность водохранилищ ведёт к тому, что начинает сильно проявляться отложение рекой твердого стока. Начинаясь в хвостовой части водохранилища, этот процесс распространя- ется вниз по течению к плотине. Водохранилище постепенно заносится осадками, проис- ходит заиление водохранилища. У водохранилищ на равнинных реках твердый сток в зна- чительной части состоит из трудно осаждающихся глинистых частиц, поэтому заиление идет медленно. Горные реки несут большое количество твердого стока и имеют значи- тельный уклон, благодаря чему водохранилища на них обычно бывают в длину и по ёмко- сти небольшими, поэтому быстро заполняются обломочным материалом и заиливаются, иногда нацело. Пример заноса водохранилища осадками представлен на рисунке [6]. Рисунок 34 – Заиление водохранилища Мид на реке Колорадо, Ferrari, 2008 Водохранилище (озеро) Мид образовано бетонной арочно-гравитационной плотиной (дамбой) Гувера высотой 221,5 м, сооружённой в нижнем течении реки Колорадо. Строи- тельство плотины началось в 1931 году и закончилось в 1936 году. Длина водохранилища при НПУ – 245 км, годовой сток воды реки в среднем – 13,4 км3 , исходный объём водо- хранилища – 40 км3. Наносы реки представлены песком и гравийно-галечным материа- лом; их сток в естественном состоянии оценивался в 0,1086 км3 в год, или 8% от среднего годового стока реки. 134

Большая часть наносов осаждалась в во- дохранилище, в результате чего уже с начала 1940-х годов формируется типичная дельта. Первоначальное место её формирования, ве- роятно, было в 130 км от плотины на отмет- ках, близких к современной отметке УМО. Продольный (вниз по течению) рост дельты составил в 1935-1947 годах около 10 км (око- (около 1 км в год). Темп роста сохранился и в 1948-1963 годах – не более 1,5 км в год. Отложение наносов в водохранилище в 1935- 1948 годах составляло 1,646 км3, в 1949-1964 годах – 1,588 км3. Очень значительным был регрессивный рост дельты – она распространилась за 25 лет почти на 80 км вверх по течению. Мощность отложений во фронтальной части дельты составила к 1963 году 75 м, убывая вверх по течению. Средний рост дельты в высоту со- ставлял 2,5 м в год. По-видимому, в пределах гряды отлагалось более 70% наносов, при- носимых к водохранилищу. Следует отметить, что в 1963 г было введено в эксплуатацию водохранилище (озеро) Пауэлл, образованное плотиной Глен Каньон выше по течению реки Колорадо. После этого аккумуляция в водохранилище Мид уменьшилась до 8,9 млн. м3, поэтому продвижение фронта гряды было незначительным. В нижних бьефах развиваются процессы общего размыва дна, сопровождающиеся снижением уровней воды. Например, пони- жение отметки дна реки Колорадо на рас- стоянии 12,4 км ниже плотины Гувер соста- вило 7,1 м. За 9 лет после создания плотины на расстоянии 145 км было размыто 110 млн. м3 аллювия, среднее понижение дна составило 4 м. Уже через 15 лет врезание прекратилось вследствие формирования крупнообломочной отмостки. Отмосткой русла называется естественное не размываемое укрепление дна русла крупными фракциями, образовавшееся в результате размыва руслового аллювия резко разнозернистого гранулометрического состава. Сопротивляемость отмостки размыву тем больше, чем она крупнее, т.е. чем больше толща перемытого потоком грунта. Вблизи гид- роузла поток в первую очередь размывает дно, поэтому влияние отмостки проявляется на этом участке раньше, чем на других. Образование отмостки уменьшает интенсивность размыва дна у гидроузла, и очаг наиболее значительных глубинных деформаций смещает- ся вниз по течению. На тех участках, где благодаря формированию отмостки глубинная эрозия уменьшается, усиливается размыв прибрежной части русла и берегов, состоящих из более мелких отложений, чем перемытая стержневая часть русла. Таким образом, с укрупнением отмостки на смену глубинных деформаций приходят плановые (размыв бе- регов). Размыв берегов – это вид деформации русла, приносящий наибольший ущерб хо- зяйственной деятельности. Снижение уровня воды при общем размыве – это как бы сни- жение базиса эрозии для рек-протоков. Поэтому мероприятия по регулированию, сокра- щению или недопущению общего размыва надо проводить как на основной реке, так и на её притоках. Процесс занесение русел в нижних бьефах начинается обычно не от бытово- го положения дна, а от деформированного в процессе общего размыва, т.е. при уклонах потока, меньших бытового. Занесение – это процесс аккумуляции руслообразующих фракций наносов вследствие перегрузки потока наносами. Последствиями занесения яв- 135

ляются: подтопления прилегающей территории; утрата руслом дренирующей способно- сти; сильное блуждание потока на участке занесения (как на конусе выноса) с угрозой смыва прежних берегов и построек на них; подпор уровней в сбросных каналах и коллек- торах, примыкающих к реке; сокращение пропускной способности гидроузла и т.д. Таким образом, физические условия формирования русла реки изменяются в резуль- тате создания плотин на большом протяжении. Это вызывает систематический процесс трансформации русла – изменения его морфометрических, морфологических и динамиче- ских характеристик в ответ на изменение характеристик стока воды и наносов, охватыва- ющий сотни километров и сказывающийся на всей реке, как природной системе. Ведущим процессом является эрозия. Трансформация русла нижнего бьефа развивается непрерывно; она начинается вбли- зи плотины, где с течением времени русло постепенно стабилизируется, затем процесс пе- ремещается ниже по течению. За счет глубинной и отчасти боковой эрозии, а также при- носа материала из притоков поток по длине насыщается наносами, интенсивность вреза- ния вниз по течению ослабевает. Наносы, поступившие в поток в ходе глубинной эрозии и размыва берегов, могут отлагаться ниже по течению, при этом эрозия русла ни- же плотины сменяется аккумуляци- ей. Таким образом, темпы и некото- рые черты процесса меняются как во времени, так и в пространстве. Рисунок 35 – Последовательная трансформация русла реки Выделяют несколько стадий развития процесса трансформации русла: локальная эрозия на приплотинном участке; быстрая глубинная эрозия, распространяющаяся вниз по течению, с одновременной трансформацией поперечного сечения русла; сравнительно медленная трансгрессивная эрозия; относительная стабилизация продольного профиля и поперечного сечения русла за счёт уменьшения уклона и увеличения крупности донных отложений, а также приноса ма- териала из притоков. Границы между первыми двумя стадиями трансформации русла нижнего бьефа до- статочно условные и определяют их по темпам понижения уровня воды. Трансформация охватывает все иерархические уровни руслового рельефа, начиная от продольного профи- ля и кончая грядовыми формами дна. В реке, ниже водохранилища, изменяются гидрологический, гидрохимический, гид- робиологический режимы, сток взвесей и характер эрозионных процессов, естественный баланс вещества на этих участках водосбора. Благодаря аккумулирующей способности и внутриводоёмным процессам, химический состав воды и взвесей, поступающих в водо- хранилище и вытекающих из него, существенно отличается. Это отражается на балансе вещества в нижнем участке реки. Например, в результате зарегулирования и сокращения водного стока, в ионном ба- лансе нижнего Дона доля более минерализованных вод боковых притоков возросла с 33% до 60%. Среднегодовое содержание в донской воде натрия и калия увеличилось в 1,8 раза. Также повысилось содержание сульфатного иона и хлора. В стоке взвешенных веществ вклад боковых притоков увеличился с 28 до 78%. При этом высокое содержания металлов во взвеси Северского Донца обусловили загрязнение взвешенных веществ и осадков на нижнем Дону, в которых концентрация цинка, свинца, меди, никеля, марганца и хрома 136

возросла в 1,5-3 раза. Наибольшие изменения в речной долине ниже водохранилищ связа- ны с меньшим, чем прежде, затоплением поймы, интенсивным хозяйственным освоением пойменных земель. После создания Цимлянского водохранилища половодье на нижнем Дону наблюдалось 1 раз в 3 года, а средняя продолжительность затопления поймы сокра- тилась в 1,5 раза. В таких условиях поймы рек степной зоны испытывают прогрессивное засоление и остепенение. В результате хозяйственной деятельности в поймах значительно расширились территории, занятые оросительными системами, рыбоводными прудами. Инженерно-геологические процессы. При эксплуатации гидротехнических соору- жений наблюдаются различные инженерно-геологические процессы, которые связаны с уплотнением пород в основании плотины и переменным давлением на стенки и основание плотины в условиях переменного объёма водохранилища. Происходят механические сдвиги плотины и грунта её основания и бокового крепления, усиливается фильтрация во- ды через породы чаши водохранилища вблизи плотины, что, в свою очередь, вызывает увеличение гидродинамического давления фильтрующего потока и возникновение про- цессов карста и суффозии. Для минимизации этих процессов на этапе проектирования предусматривается выемка слабых пород, организация противофильтрационных экранов, дренажей, химического закрепления и другие мероприятия. Карст [от нем. Karst - по названию известнякового плато Крас в Словении] – совокупность процессов и явлений, свя- занных с деятельностью воды. Карст вы- ражается в растворении водой горных пород и образовании в них пустот, а также в создании своеобразных форм ре- льефа на местности, сложенных из срав- нительно легко растворимых в воде гор- ных пород – гипс, известняк, мрамор, доломит и каменная соль. Наиболее ха- рактерными для карста являются отрица- тельные формы рельефа. По происхождению они подразделяются на формы, образованные путём растворения (поверхностные и подземные), эрозионные и смешанные. По морфологии выделяются следующие образования: карры, колодцы, шахты, провалы, воронки, слепые карстовые овраги, долины, полья, карстовые пещеры и подземные карстовые каналы. Для развития карстового процесса необходимо наличие следующих условий: ровная или слабонаклонная поверхность, чтобы вода могла застаиваться и просачи- ваться внутрь; значительная толщина горных пород, поддающихся карстованию (растворению), и их трещиноватость; неравновесность или агрессивность подземных вод; наличие условий, обеспечивающих движение подземных вод. Может образовываться карстовое озеро – это котлован, заполненный подземными водами. Вода в таких водоёмах прозрачная, потому что нет песка на дне, минерализован- ная и очищенная от вредных биологических примесей. Карстовые озёра могут быть не- долговечными, потому что подземные воды, размывая породу, могут поменять направле- ние или уйти глубже. Тогда они исчезают и остаются только связанные с ними легенды. Блуждающие озёра имеются в разных частях России. В Архангельской области находится водоём Семго, который несколько раз уходил под землю. Один раз в несколько лет появ- ляется, а потом исчезает высокогорное природное водохранилище в Дагестане Ракдал- хол. В Вытегорском районе на Вологодчине в течение трёх дней исчезло озеро Куштозе- 137

ро. Шимозеро, находящееся недалеко от Онежского озера, удивляет жителей окрестных поселений не только тем, что в начале лета наполняется водой, а также тем, что к осени его содержимое уходит под землю. Суффозия [от лат. suffosio - подкапывание] – вынос мелких минеральных частиц породы фильтрующейся через неё водой. Процесс близок к карсту, но отличается от него тем, что суффозия является преимущественно физическим процессом и частицы породы не претерпевают дальнейшего разрушения. Суффозия приводит к проседанию вышележащей толщи и образованию западин (суффозионных воронок, блюдец, впа- дин) диаметром до 100 метров, а также пещер. Другим следствием процесса может быть изменение гранулометрического состав подверженных суффозии пород или яв- ляющихся фильтром для вынесенного материала. Наиболее широкое развитие суф- фозия получает в области распространения лёссов и лёссовидных суглинков под склонами долин рек, часто по ходам роющих животных. Одним из необходимых условий суффозии является наличие в породе как крупных частиц, образующих непо- движный каркас, так и вымывающихся мелких. Вынос начинается лишь с определен- ных значений напора воды, ниже которых происходит только фильтрация. В карбо- натных и гипсоносных песчано-глинистых отложениях и мергелях карст и суффозия могут проявляться одновременно. Это явление носит название глинистый карст или глинистый псевдокарст. Суффозионные озера образуются в котловинах просадочного происхождения на месте интенсивного выноса подземными водами мелкоземистых и ми- неральных частиц (юг Западной Сибири, Окско-Донская равнина). Карстообразованию подвержены все растворимые в воде породы: осадочные – из- вестняк, мергель, известковые песчаники, содержащие известь конгломераты и брекчии, мел, доломит, ангидрит, гипс, хлоридные соли; метаморфические – мрамор, известково- слюдистый сланец. Растворимость пород сильно уменьшается от хлоридных к сульфат- ным, а от сульфатных – к карбонатным отложениям. Каменную соль, гипс и ангидрит от- носят к легкорастворимым, а известняк, мел и доломит – к труднорастворимым породам. Скорости растворения известняка, гипса и каменной соли соотносятся друг с другом как 1:100:10000. Если чистая вода может растворить лишь небольшую часть известняка, то в присутствии свободного СО2 через промежуточное растворение бикарбоната кальция рас- творимость значительно выше. Карбонатная система в существенной мере определяет агрессивность подземных вод к металлам и бетону, а также развитие и жизнедеятельность микроорганизмов, создающих агрессивные свойства геологической среды. В тесной связи с состоянием карбонатной си- стемы находятся макро- и микрокомпонентный состав подземных вод и миграция микро- элементов (железо, цинк, медь, свинец и др.), характеризующих техногенное загрязнение подземных вод. Внешние условия, способствующие развитию карста: известняки, доло- миты, гипсы и другие породы этой группы в большинстве случаев водопроницаемы толь- ко по трещинам, поэтому трещинноватость пород, в частности тектоническая, способ- ствует возникновению карста. Тектонические трещины, расширенные вы- ветриванием, могут обусловливать очень большую величину коэффициента фильтра- ции воды в закарстованных породах. При вы- соких скоростях движения воды растворение теряет своё первоначальное значение и начи- нают действовать процессы эрозии. Подзем- ные реки с большими расходами и большими скоростями производят под землей такую же работу, как и открытые водотоки на её по- верхности. 138

В результате их действия образуются огромные подземные пещеры, достигающие многих километров в длину и больших размеров в поперечном сечении. Так, при строи- тельстве Гуматской ГЭС в Грузии была встречена пещера длиной в несколько километ- ров. Гидротехническая практика знает случаи, когда искусственно созданные в карстовых районах водохранилища не удавалось заполнить водой (например, в Андалузии была воз- ведена плотина высотой 72 м на месте развития трещиноватых и закарстованных извест- няков). Противокарстовые мероприятия делятся на активные и пассивные. Пассивная защита предусматривает возведение специальных инженерных сооруже- ний, предотвращающих влияние карстовых провалов. Такие меры надежны в случае, ко- гда в результате инженерно-геологических изысканий опасные пустоты уже обнаружены, например буровыми скважинами. Если остаются не обнаруженные пустоты с критическим состоянием свода, то пассивные методы защиты не прекратят естественного развития кар- ста, а иногда могут его активизировать. Активное воздействие на процесс заключается в устранении причин, порождающих и активизирующих карст. Мероприятия по управлению карстовым процессом в гидротех- ническом строительстве приведены в таблицах. Таблица 20 – Мероприятия по управлению карстовым процессом в гидротехническом строительстве. Активное воздействие на процесс Рекомендации Мероприятие Назначение мероприятия по применению Организация поверхностного водо- отвода: устройство перехватываю- щих и водосборных канав; тампонаж Предотвращение поступления Целесообразно воронок, провалов, трещин и других агрессивных поверхностных вод в применять при участков водопоглощения; покрытие карстующийся массив; возведении всех территории различными водонепро- снижение активности карстового видов инженерных ницаемыми экранами из глины, би- процесса сооружений тума, цемента или синтетических плёнок Регулирование гидрологического, Поддерживание естественной Применяется при гидрохимического и термического обстановки развития карстового строительстве на режима поверхностных водоёмов процесса; на искусственных водо- берегах естествен- (водохранилищ) и водотоков, ёмах – снижение скорости активи- ных и искусственных осуществляемое путем контроля за зации карстового и суффозного водоемов, особенно проточностью, уровенным режимом процессов; стабилизация уровне- в области развития и предотвращением сброса вого режима и гидравлических соляного и сульфат- промышленных стоков уклонов ного карста Уменьшение проницаемости пород и скорости движения подземных Сооружение различных противо- вод, увеличение пути фильтрации Широко фильтрационных завес из бетона, подземных вод; создание зоны используется при битума, гелей для изменения филь- затруднённого водообмена; гидротехническом трационного и уровенного режимов снижение или полная ликвидация строительстве подземных вод агрессивности подземных вод, поступивших в район сооружения При строительстве в Покрытие стенок выработок, Предотвращение и ликвидация области распростра- пройденных в легко растворимых процессов растворения и нения легкораство- породах (соль, гипс, ангидрит), гидратации римых пород водонепроницаемым материалом (соль, гипс) 139

Таблица 21 - Мероприятия по управлению карстовым процессом в гидротехническом строительстве. Пассивная защита Назначение защитного Защищаемое Вид защитного сооружения сооружения сооружение Свайные конструкции: подземные В качестве фун- стенки, сооружённые из сопрягающихся Противофильтрационное даментов плотин бетонных свай, устроенных в назначение, используются в при сильной скважинах большого диаметра качестве фундаментов закарстованности (600-1200 мм) Тампонаж закарстованных отложений различными растворами (песчано- глинистыми, глинисто-цементными, цементными, битумным, цементно- Укрепление закарстованных Здание ГЭС, шлаковыми), быстротвердеющими оснований плотины и др. смесями и пенными растворами, заполнение отдельных полостей путем инъекций; пневматическая закладка полостей Создание водонепроницаемых завес Предотвращение поступления вокруг выработок или на пути Шахты, тоннели, подземных вод в выработки; подземного стока (осуществляется котлованы, ликвидации утечек из путем нагнетания специальных водохранилища водохранилищ растворов или замораживанием) Обрушение малоустойчивой кровли Предотвращение возможных Применяется во всех карстовых полостей взрывом обвалов кровли и провалов видах строительства Наиболее простая задача – борьба с поверхностным стоком, значительно сложнее справиться с потоком подземных вод. В первом случае – это создание противофильтраци- онных экранов, во втором – сложные дренажные системы и противофильтрационные со- оружения. Например, противофильтрационная завеса, действующая в верхнем бьефе Кам- ской ГЭС более 35 лет, увеличивает путь движения подземных вод, повышая степень насыщения их компонентами растворимой породы, отчего вода при подходе к защищае- мому участку теряет свою агрессивность. При прорывах естественных и антропогенных плотин (дамб) может сформироваться опасное гидрологическое явление – сель, который принёс ни одну катастрофу с многочис- ленными жертвами и разрушениям. Сель [в гидрологии от араб. ‫ - ليس‬сайль - бурный по- ток] – водный поток с очень большой концентрацией минеральных частиц, камней и об- ломков горных пород (от 10-20% до 60-70% общего потока), возникающий в бассейнах небольших горных рек и сухих логах, вызванный, как правило, ливневыми осадками или бурным таянием снега, а также при прорыве плотин, запруд и т.д. В природе события такого рода всегда уникальны, условия формирования прорыв- ного феномена исключительны и обычно свойственны для горных и ледниковых регио- нов, чаще всего связаны с прорывами завальных плотин горных, ледниково- подпружных, моренных озёр и внутриледниковых водоёмов [28]. Так, например, в 1921 года чудовищный сель, образовавшийся в результате прорыва моренного озера, свалив- шийся с гор ночью на спящий город, прошёл Алма-Ату из конца в конец фронтом в 200 метров шириной. Не считая воды, грязи, обломков деревьев, одних лишь камней обруши- лось на город столько, что, по подсчетам, их хватило бы для загрузки нескольких сот то- варных поездов. И эти эшелоны, разогнавшись по склону, на курьерской скорости тарани- 140

ли город Алма-Ату, разрушая и уничтожая дома и улицы. Объём селя определялся тогда объёмом в 1200 тыс. м3. Опасность повторения такой катастрофы существовала постоян- но. В конце 1966 года направленные взрывы уложили 2,5 млн. тонн камня на дно урочища Медео. Возникла плотина, перекрывшая долину реки Алмаатинки и путь чудовищным се- лям. Сель повторился ночью на 23 июля 2015 года по реке Каргалинке. При прорывах созданных человеком плотин (дамб) могут возникнуть не менее раз- рушительные сели. Например, катастрофа вызванная разрушением бетонной арочно- гравитационной плотины Сент-Фрэнсис, которая была построена в целях создания резер- вуара для водоснабжения города Лос-Анжелес. Строительство продолжалось с 1924 по 1926 год. По завершению строительства плотина имела высоту 59 метров, водохра- нилище рассчитано на 47 млн. м3 воды. Плотина рухнула за три минуты до полу- ночи 12 марта 1928 года, в результате чего погибли более 600 человек. Катастрофа плотины Сент-Фрэнсис – одна из самых крупных инженерных катастроф в США. Прелюдией к катастрофе было появление по мере заполнения водохранилища в 1926- 1927 годах в плотине трещин. За три минуты до полуночи 12 марта 1928 года плотина Сент-Фрэнсис рухнула. Ре- конструкция событий показала, что сначала рухнула восточная опора, вода, хлынувшая в пролом, стала разворачивать плотину, в результате чего рухнула западная опора – когда резервуар был уже наполовину опустошён. Остался стоять только центральная секция, или «краеугольный камень», как ее потом называли. Восточную и западную секции, раз- битые на большие куски, унесло на 800 м ниже по течению. Всего из резервуара вылилось 45 млн. м3 воды. Сначала волна разрушила бетонные стены ГЭС ниже по течению, затем влилась в реку Санта-Клара и затопила несколько го- родов. Наводнение охватило регионы Санта-Паула и Вентура, унося жертвы, обломки и тонны грязи в Тихий Океан за 87 км от плотины. Тела жертв находили на побережье вплоть до мексиканской границы. Точное число жертв никто не знает – их число оценива- ется от 450 до 600. Подсчет осложнялся тем, что в каньоне Сан-Францискито стояли лаге- рем нелегальные мигранты из Мексики, точное число которых никогда не будет известно, к тому же многие тела оказались погребены под тоннами наносов. Последующие исследования установили, что плотина стояла на древнем неактивном разломе между щитом Пелона и конгломератными формациями Сесп. Разлом пришел в движение, возможно, из-за просачивания воды из резервуара. Перечисленные выше факторы воздействий водохранилищ и изменений в прилега- ющих районах образуют сложные сочетания. На одной и той же территории возможно за- топление и подтопление, изменение климата, почв и растительности, переформирование берегов. В связи с этим выделяют: ареал сильного влияния водохранилища, который включает зоны постоянного затопления, переформирования берегов, заболачивания и сильного подтопления (ширина от уреза воды при НПУ на крупных водохранилищах со- ставляет 0,2-1 км, на средних и небольших – десятки метров); ареал умеренного и слабого влияния – охватывает часть зоны водохранилища и зону систематического климатическо- го влияния (ширина ареала на крупных водохранилищах изменяется от 2-3 до 10-15 км, на средних – до 1-2 км). При образовании водохранилищ в верхних и нижних бьефах гидроузлов осуществ- ляются: инженерная защита территорий, на которых находятся важные объекты и ценные сельхозугодья (обвалование, дренаж, берегоукрепительные работы и др.); земельнохозяй- 141

ственное устройство землепользователей в новых условиях; переселение жителей; пере- нос, переустройство, новое строительство или снос строений и сооружений и др.; свод ле- са, перенос археологических и других памятников; выполняются санитарно- гигиенические мероприятия (с затапливаемых территорий вывозят отбросы и отходы предприятий или дезинфицируют их на месте, перепахивают и т.д.; проводят лесоочистку; переносят места захоронения людей и скотомогильники). 4.3. Динамика берегов водохранилищ В самой начальной стадии существования водохранилища в положении его при- брежной области оказываются склоны котловины. В последующее время в результате взаимодействия между водной массой водохранилища и склонами котловины происходит преобразование последней в наиболее устойчивую в новых условиях существования фор- му прибрежной зоны. Представленные ниже материалы по динамике берегов основаны на результатах исследований известного российского океанолога и геоморфолога, профессо- ра Всеволода Павловича Зенковича [1910-1994], систематизированные в работе [13]. Главным действующим фактором, обуслов- ливающим развитие процессов динамики при- брежных зон, является ветровое волнение, формирующее основное поле скоростей, спо- собных разрушать склоны котловины и пере- мещать большие массы грунта в направлении своего движения. Воздействие силы тяжести и неравенство скоростей волновых движений могут обусловить при этом неравенство про- ходимых путей и в результате полного колеба- ния вызвать итоговое перемещение частиц грунта в том или ином направлении. При каждом волновом колебании частицы грунта приходят в движение, когда токи воды достигают скорости «трогания», зависящей от крупности частиц, крутизны и направления уклона дна. В каждый момент времени скорость движения частиц грунта во влекомом состоянии по дну uг равна скорости движения воды uв, минус скорость трога- ния частицы uт: uг = uв − uт . (4.2) Начавшееся движение частиц грунта прекращается при скоростях течения значи- тельно меньших, чем те, при которых движение началось; эта разница очень велика для мельчайших и мелких частиц грунта и относительно мала для крупных частиц. Таблица 22 – Скорости трогания и остановки частиц различной крупности Для размыва илистых и пылеватых частиц, гравия и гальки требуются большие ско- рости, но оседать мельчайшие частицы могут лишь в спокойной воде, а гравий и галька – при скоростях, близких к скоростям размыва. Поэтому илистые и пылеватые частицы мо- 142

гут уноситься волнением в сторону водоёма, а гравий и галька отлагаться у самого берега. Пески, обладающие меньшим сопротивлением размыву и отличающиеся большой по- движностью, всё же оседают при скоростях, которые наблюдаются в придонной зоне во время волнения. Поэтому они и являются тем основным материалом, из которого слага- ются береговые отмели. Скорость волновых движений в разных точках подводного откоса иллюстрирует ри- сунок, на котором по вертикальной оси отложен период колебаний, а по горизонтальной – скорости движения у дна. Так как интеграл скорости по времени равен пути, то очевидно, что площади правой и левой частей кривых скоростей соответственно равны путям, прой- денным придонными частицами воды в сторону берега и обратно при полном волновом колебании. В каждом графике верхние площади меньше нижних (относительно осей ор- динат, показанных сплошными линиями) потому, что волновые движения происходят на фоне противотечения, направленного от берега со скоростью uп. Рисунок 36 – График скорости волнового движения в различных точках подводно- го откоса На рисунке видно, что в точке откоса А, где трансформация волны ещё мала, кривая скоростей симметрична (относительно оси ординат, показанной пунктиром), а в точках профилей В и С, где волны уже значительно деформированы, график скоростей резко асимметричен. Продолжительность движения в сторону берега здесь относительно мала (меньше полупериода), а скорость – относительно велика по сравнению с соответствен- ными элементами в обратном направлении. На наклонном дне в прибрежной зоне, где дно наклонено в сторону озера, частицы грунта испытывают влияние силы тяжести, которая тормозит их движение вверх, по отко- су и ускоряет движение вниз. Поэтому если допустить, что придонное противотечение от- сутствует и график скоростей симметричен (кривая А), то частица грунта в результате каждого колебания будет перемещаться вниз по откосу, пока не дойдет до такой глубины, где волновые токи уже не в силах её шевелить. В случае несимметричного графика (кри- вые В и С) превышение максимальных значений придонных скоростей, направленных к берегу, над соответствующими скоростями обратного направления может не только ком- пенсировать, но и превысить влияние веса частицы и тем самым способствовать её пере- мещению в сторону берега. Из сказанного следует, что при воздействии волнения на под- водный откос частицы грунта в верхней его области будут выбрасываться на берег, а в нижней – в сторону водоёма. Эти две области разделены так называемой нейтральной ли- нией, вернее, зоной, положение которой остаётся неизменным для определенного профиля дна (уклона дна и крупности частиц грунта) и определённого режима волнения. Частицы грунта в этой зоне во время волнения приходят в колебательное движение, но не испыты- вают перемещения. Положение нейтральных зон зависит от трёх факторов: размер частиц грунта, уклон дна и параметров волны. Зоны лежат тем ближе к берегу, чем мельче частицы грунта, круче дно и меньше параметры волны. На крутых склонах нейтральная линия располага- 143

ется очень близко к берегу и частицы грунта здесь преимущественно двигаются вниз по склону – берег разрушается и развивается по абразионному типу. У пологих берегов нейтральная зона располагается на далеком расстоянии и частицы грунта двигаются в сторону берега – берег нарастает и развивается по аккумулятивному типу. С увеличением размеров волн нейтральные линии сдвигаются вниз по склону и к берегу начинают пере- мещаться всё большие массы грунта. Одновременно с этим возрастает донное противоте- чение и относ частиц грунта от берега во взвешенном состоянии начинает превышать его поступление. Под действием сильного шторма берег размывается, а нарушенное равнове- сие восстанавливается мелкими волнами. Перемещение частиц грунта по откосу приводит к изменению уклонов по обе сторо- ны нейтральной линии. Увеличение уклона на участке выше нейтральной линии способ- ствует замедлению движения частиц грунта вследствие увеличения на крутом склоне си- лы тяжести. Ниже нейтральной линии, наоборот, с увеличением уклона движение в сто- рону водоема усиливается, а частицы грунта интенсивно передвигаются вглубь. Дно в этой части делается всё более и более пологим, наконец, перемещение частиц прекраща- ется и здесь, образуется вторая нейтральная зона. Точно таким же способом образуется нейтральная зона и в верхней части профиля. Переформирование профиля продолжается до тех пор, пока при данной силе волне- ния частицы грунта не достигнут устойчивого положения. Устойчивость профиля опреде- ляется тем, что частицы грунта перестают перемещаться к берегу или вглубь водоёма, хо- тя и продолжают оставаться в движении. Такой превратившийся в единую нейтральную зону профиль называется профилем равновесия. В каждой точке этого профиля уклон дна соответствует степени деформации волны. Общая устойчивость профиля равновесия со- четается с непрерывным движением и связанным с ним истиранием частиц грунта. Процесс, в результате которого создаётся профиль равновесия на склоне с одинако- вым уклоном, сложенным частицами одинаковой крупности, изображён на рисунке. Стрелки различной длины над поверхностью дна показывают размах движения частиц грунта, а нижние стрелки – итоговое их перемещение при каждом полном колебании. Там, где равнодействующая равна нулю, расположена нейтральная линия. Рисунок 37 – Развитие предельного профиля равновесия 144

На рисунке видно, что верхняя и нижняя площади аккумуляции, лежащие выше пер- воначальной линии дна, и площадь размыва дна между этой линией и кривой профиля равновесия, равновелики. Последнее означает, что количество грунта, размытого на под- водном склоне, равно количеству грунта, отложенного на нижнем отрезке склона и на бе- регу. Уклон профиля равновесия зависит от глубины, размеров частиц грунта и величины волн. Чем крупнее частицы грунта и меньше глубина, тем круче дно. По существующим оценкам, полученным В.П. Зенковичем, углы откоса у берега для грунта из валунов со- ставляют 450, гальки – 20-300, песка – 100; на глубине 5 метров для грунта из валунов уг- лы составляют 12-150, гальки – 5-70, песка – 1-20. Дальнейшее развитие профиля равновесия у приглубокого берега поясняется на ри- сунке. Допустим, что к водохранилищу спускается откос возвышенного берега, причём уклон подводного склона таков, что штормовые волны разбиваются непосредственно у берега. В результате ударов камней и всплесков воды на поверхности образуется выемка (f1e1c1). Отступление выемки приводит к образованию обрыва – клиффа (f1e1) с прибойной нишей у подножия (e1), а перед ним слабо наклонённой поверхности дна (e1c1) Действию абразии [от лат. abrasio - соскабливание] – процессу разрушения волнами и прибоем берегов водоёмов – способствует предварительное разрушение берега агентами наземного выветривания. Рисунок 38 – Различные стадии развития профиля приглубных берегов С течением времени ниша углубляется, нависающие части породы обрушиваются и разламываются на массу осколков. Перекатываясь по отлогой поверхности дна, они раз- рушают его, а сами окатываются и истираются. Более мелкие частицы – гравий и песок оттаскиваются на большие глубины, образуя аккумулятивную часть береговой отмели (а1b1c1). Более крупные частицы – валуны и галька, скапливаются в верхней, наиболее уплощённой части склона, где создают накопление, называемое пляжем (d1e1). Участок дна между пляжем и аккумулятивной частью береговой отмели остаётся обнажённым и называется абразионной частью береговой отмели, или бенч (d1с1). По мере постепенного отступления обрыва ширина береговой отмели увеличивается и волнам, прежде чем они достигнут ниши, приходится пробегать всё больший путь над мелководьем. Их энергия теряется, воздействие на берег ослабевает и, наконец, волны становятся неспособными разрушать берег. Поверхность обрыва благодаря выветриванию и осыпям постепенно становится более пологой и зарастает растительностью. Небольшие и короткие волны создают наиболее крутой профиль равновесия, боль- шие и длинные волны при том же составе грунта вырабатывают отлогий профиль. Так как сила волнения меняется, то непрерывно происходят колебания профиля около средних уклонов, определяемой средней силой волн. 145

В случае разной крупности частиц грунта картина несколько усложняется, так как нейтральные зоны для частиц разного разме- ра располагаются на разных глубинах. В не- котором отдалении от берега результирую- щее движение частиц грунта направлено вниз по откосу, увлекая только песчинки, а валуны и галька остаются лежать неподвиж- но, так как воды здесь недостаточно, чтобы сдвинуть их с места. Вблизи берега, резуль- тирующее движение частиц грунта направ- лено в сторону берега, которое увлекает уже гальку и перемещает её к берегу. Песок уносится вглубь донным противотечением. В зоне прибоя, где токи ещё силь- нее, приходят в движение валуны, которые, так же как и галька, постепенно передвигают- ся к берегу, где нагромождается вал из валунов и гальки. Высота берегового вала над уровнем воды всегда остаётся постоянной, так как зависит только от силы волн и размера частиц грунта. Во время сильного шторма валы размываются, а затем вновь создаются, когда шторм утихает, а волны начинают выбрасывать к берегу частицы грунта. В конеч- ном итоге частицы грунта располагаются вполне закономерно: у берега – самые крупные, а затем – всё более и более мелкие. При этом для более крупного материала нейтральная зона образуется при более крутых углах наклона, а наиболее мелкий материал располага- ется почти на плоском дне. В зависимости от первоначального уклона склона выработка профиля равновесия может сопровождаться разрушением берега. Скорость разрушения берега зависит от сле- дующих факторов: прочности породы, режима волнения и от того, как долго уже идёт разрушение берега. Всего быстрее, со скоростью от полуметра до метра и более в год, от- ступают глинистые и лёссовые берега. Это объясняется тем, что продукты разрушения таких берегов представляют собой мелкие частицы, легко уносимые волнением на боль- шие глубины. Подножие обрыва у таких берегов не защищено обломками и потому легко поддается разрушению. Берега, сложенные известняками, песчаниками и сланцами, от- ступают, но отступают со скоростью в несколько сантиметров в год. Берега же из кри- сталлических пород, например гранитов, трудно поддаются разрушению и иногда за це- лые столетия не дают заметных изменений. Особенно интенсивно процесс разрушения берегов протекает в первые годы суще- ствования водоёмов, о чём можно судить на основании наблюдений на вновь сооружае- мых водохранилищах. Так, например, на Днепровском водохранилище за первые 5 лет бе- рег был размыт на 40-60 метров, т. е. на 8-12 метров в год. На Цимлянском водохранили- ще летом 1952 года берега низменных участков были размыты на ширину от 10-15 до 50 метров. На Рыбинском водохранилище максимальная скорость размыва за два года соста- вила 26 метров, средняя 2-4 метров в год. Развитие профиля у приглубых берегов показано на рисунке (фигура А и Б) и не за- висит от первоначального уклона склона. Влияние уклона количественно сказывается лишь на относительной ширине одних и тех же элементов профиля и на темпе их разви- тия. На берегах же отмелых в зависимости от их уклона возникают различные формы, ко- торые и развиваются далее по-разному (фигура В и Г). В более общем случае на отмелых берегах образуются две зоны аккумуляции: у берега и на нижнем отрезке профиля. Между ними располагается зона абразии дна (ав), представленная на фигуре В. При более пологом угле первоначального склона, когда нейтральная зона лежит у точки прекращения воздействия волновых движений на частицу данной крупности, про- филь равновесия, как видно на фигуре Г, достигается благодаря выбрасыванию части грунта на берег и размыву дна нижнего отрезка профиля. 146

На рисунке видно, что уклон профиля равновесия у приглубых берегов меньше, а у отмелых, наоборот, больше уклона первона- чального склона. Аккумуляция частиц грунта у берега происходит лишь при отно- сительно крутых подводных скло- нах, когда глубина, на которой про- исходит забурунивание волн, нахо- дится близко от берега. В этом наиболее часто встречающемся случае транспортирующая способ- ность волн непрерывно возрастает в направлении берега. Рисунок 39 – Предельные профили равновесия при различных уклонах дна При более же пологом дне, когда глубина забурунивания располагается далеко в во- доёме, транспортирующая способность волн достигает максимума в зоне забурунивания, а далее к берегу за счёт трения она уменьшается. Поэтому на глубине, несколько меньшей 2h (h – высота волны), происходит аккумуляция частиц грунта и на дне образуется вы- ступ, или подводный вал. Вал может затем выйти на поверхность, превратиться в берего- вой бар и отгородить от водохранилища водное пространство, называемое лагуной. Такие берега называются лагунными. В природной обстановке условия протекания процессов оказываются более слож- ными. Мельчайшие глинистые и илистые частицы могут быть унесены течениями за пре- делы профиля, и, кроме того, могут быть вынесены или, наоборот, принесены частицы грунта, перемещаемого вдоль берега. Береговая отмель с ясно выраженным уступом не всегда наблюдается на водохранилищах. Она встречается повсеместно только на глубоких водоёмах, в которых воздействие волн не достигает дна. Наряду с этим существует боль- шое количество мелководных водоёмов, ложе которых представляет собой чашу с плос- ким дном, являющуюся как бы слившейся воедино неразграниченной береговой отмелью. Кроме того волны подходят к берегу не всегда под прямым углом. Если же волна накатывается на берег наискось, то вода прибойного потока вместе с подхваченными частицами грунта вкатывается на пляж под тем же углом, а стекает по ли- нии наибольшего уклона пляжа и частицы грунта описывают на пляже плавные кривые линии, как это показано на рисунке. Весь путь по пляжу от точки А до точки Г без остановки проходит с водой только пес- чинка, а валун и галька останавливаются соот- ветственно в точках Д и Е, где ток воды осла- бевает. Рисунок 40 – Продольное перемещение ча- стиц грунта вдоль берега. У линии берега от- мечена величина шага для валуна (1), гальки (2) и песчинки (3) 147

На обратном пути по пляжу поток воды подхватывает валун и гальку и перемещает их в точки Б и В. Таким образом, с каждой волной частицы грунта проходят определен- ный «шаг» вдоль берега. Аналогичное явление совершается и на дне, по всей ширине под- водной части склона, но только гораздо медленнее. Скорость продольного перемещения частиц грунта зависит от их размеров, величины волн и от угла их подхода к берегу. Чем крупнее частица, тем медленнее её движение; чем сильнее и больше волны и чем более косо они подходят, тем быстрее движутся частицы. Таким образом, чем крупнее волны и чем под более острым углом они подходят, тем выше скорость продольного перемещения. Во время шторма, подходящего к берегу под острым углом, вдоль берега движется каменный или песчаный поток, который называется потоком береговых наносов. Мощность потока – количество материала, которое он пере- мещает через данное сечение в единицу времени, меняется: поступление нового материа- ла из рек или с берега, сильно разрушаемого прибоем, увеличивает мощность потока, а процесс истирания уменьшает. Ёмкость потока – максимальное количество наносов, кото- рое волны способны перенести в данной точке берега в единицу времени, далеко не везде совпадает с реальной мощностью. Считают, что поток имеет дефицит нагрузки, когда волны переносят меньше мате- риала, чем могли бы, и поток насыщен, когда материала имеется столько, сколько волны могут перенести, или даже больше. При насыщении потока вся энергия волн идёт на дви- жение и перемещение материала. Пляжи в таких местах широки и волны не достигают подножия обрыва. В местах дефицита нагрузки у волн остается некоторое количество энергии, которое расходуется на разрушение берега и углубление дна. Пляжи здесь узкие. В отличие от галечных потоков, при продольном переносе песков значительную роль иг- рают сопровождающие явление волнения ветровые течения. Волны взмучивают песок со дна, а течения увлекают за собой вдоль берега всю мас- су волнующей воды вместе с облаками взмученного песка. Этот процесс суммируется с чисто волновым перемещением песка и придаёт последнему большую скорость. При дан- ной силе волн интенсивность продольного перемещения частиц грунта изменяется в связи с изменением угла подхода волн к берегу. При перпендикулярном подходе волн к берегу интенсивность продольного перемещения частиц равна нулю. С уменьшением угла под- хода волн интенсивность возрастает и при угле подхода φ, близком к 45°, она достигает максимума, а при дальнейшем уменьшении угла – начинает понижаться. Это объясняется тем, что по мере уменьшения угла подхода волн к берегу их размеры и энергия снижают- ся. В природных условиях направление и интенсивность волнения меняется непрерывно. В зависимости от местных условий скорость продольного донного и берегового пере- мещений частиц грунта может уменьшиться или даже стать равной нулю при постоянстве энергии волнового движения в открытом водоёме. При этом частицы грунта, подаваемые вдоль берега на данном участке с прежней скоростью, должны здесь в какой-то части за- держиваться и тем самым определять выдвижение линии берега или нарастание дна. Подобные процессы приводят к воз- никновению и развитию аккумулятивных форм берега и рельефа дна. Так, например, излом берега может привести к образова- нию аккумулятивных форм – коса или терраса. Косой называют аккумулятивную форму, имеющую вид узкой полосы, при- крепленной одним концом к основанию коренного берега, а другим – уходящую в водоём. Схема образования косы представлена на рисунке. Допустим, что на участке прямо- линейного берега АБ поток наносов насыщен, а равнодействующая волнового движения 148

составляет с беретом угол φ, соответствующий наибольшей скорости перемещения частиц грунта. На участке берега БВ этот угол становится более острым (φ - n) и потому скорость перемещения частиц грунта и, следовательно, ёмкость потока падают. В связи с этим ча- стицы грунта начинают аккумулироваться у излома берега и выдвигаться в водоем в том направлении, в каком до этого тянулся берег. По мере поступления материала зарождаю- щаяся коса выдвигается всё дальше в водоём. При изгибе берега в сто- рону водоёма образуется наносная терраса. На участке БГ угол между равнодей- ствующей и берегом увели- чивается (φ + n) и, следова- тельно, ёмкость потока па- дает. В связи с этим у вер- шины угла берега будут от- кладываться частицы грунта и создаваться наносная тер- раса. Рисунок 41 – Схемы образо- вания косы и наносной тер- расы Аккумулятивные формы могут образоваться и у прямого берега, если вдоль него из- меняется волновой режим. Например, режим может измениться под влиянием блокировки (защиты) островом, сзади которого образуется «волновая тень». В этом случае, если вдоль берега движется поток наносов, то ёмкость его в волновой тени, где сила волн уменьшает- ся, резко падает. Частицы грунта здесь задерживаются и полоса берега вытягивается к острову. В конечном итоге остров примыкает к берегу. Аккумулятивная форма, соединя- ющая остров с материком, называется намывной перемычкой, а иногда в геоморфологии – итальянским словом «томболо». Примером такого рода образования является полуостров Святой Нос на восточном берегу озера Байкал. Низменный перешеек, соединяющий гори- стую часть Святого Носа с континентом, является намывной перемычкой, образовавшейся под защитой гористой части острова. Другим примером может служить полуостров на озера Севан. Находившийся на этом озере скалистый остров Севан соединился с сушей, удалённой от него на 1 км, с помощью подводной намывной перемычки. Внешними блокирующими элементами берега могут яв- ляться также мысы и отмели, отделенные от берега простран- ством более глубокой воды. Рисунок 42 – Схема бухтового берега с разнообразными акку- мулятивными формами (по В.П. Зенковичу) Аккумулятивные формы особого развития достигают у бухтовых берегов, где при- родные условия благоприятствуют падению емкости потока. В узких бухтах ослабление волн под защитным действием берегов приводит к образованию с одного или двух бере- 149

гов наносных выступов, или кос. В тех случаях, когда ось бухты совпадает с равнодей- ствующей волновых движений, все аккумулятивные формы в ней симметричны. При обильном поступлении частиц грунта от обоих мысов в устье бухты образуются две симметричные косы, которые, соединяясь, образуют пересыпь. Процессы абразии и аккумуляции в совокупности способствуют выравниванию береговой линии. На приглу- бых берегах волны срезают мысы и острова, а береговые потоки наносов отгораживают заливы от озера песчаными и галечными пересыпями. Совместным действием озёрного волнения и речного течения объясняются приусть- евые косы, образующиеся в устьях рек, впадающих в открытые водоёмы. В половодье или паводок в придонных слоях таких рек расходящиеся струи речного течения энергично пе- реносят наносы к берегам, в зону завихрения, где и происходит аккумуляция и образова- ние кос. Создаваемая косой вогнутость берега заполняется обломочными частицами, при- носимыми как береговым потоком наносов, так и смываемыми волнами с внешней сторо- ны косы. Длина косы и кривизна вогнутости зависят от мощности реки, силы ветра, пер- вичного уклона дна по бровкам русла. Мощная и богатая наносами река, впадающая в во- доём с отмелыми берегами, образует косы, которые быстро продвигаются вперед. Для той же реки, впадающей в водоём с приглубыми берегами, приустьевые косы, естественно, будут короче и выше. При ветрах несимметричных относительно оси реки приустьевые косы также несимметричны. В случае преобладания одного направления волнения река поворачивает вдоль берега, отделяясь от озера косой. При рассмотрении передвижения обломочного материала вдоль берегов допуска- лось, что поступающие в водохранилище речные наносы разносятся вдоль берега волне- нием и течениями. Однако это наблюдается не во всех случаях. Если река приносит нано- сов больше, чем их уносят волны и течения, то наносы начинают аккумулироваться в предустьевой части и здесь возникает аллювиальное образование, расширенным своим концом обращённое к водоёму, а вершиной – к устью реки. Оно называется дельтой и по своему сходству в плане в большинстве случаев напоминает греческую букву Δ. Дельта представляет собой плоскую илисто-песчаную равнину, занятую островами и рукавами. Дельта имеет и свою подводную часть, также сложенную речными наносами и напоминающую береговую отмель. Общей чертой большинства дельт являются так назы- ваемые прирусловые валы. Последние, как известно, представляют обычные образования, встречающиеся на реках, текущих в собственных наносах и имеющих поверхность воды выше окружающей местности. В этом случае при разливах в половодье или в паводок наиболее крупные наносы в наибольшем количестве отлагаются в местах, непосредствен- но примыкающих к руслу, и образуют валы, тянущиеся вдоль обоих берегов. Прорывая эти валы, реки неоднократно меняют русла. Самой большой речной дельтой в Европе является мелколопастная (многорукавная, дугообразная) дельта реки Волги, впадающая в крупнейшее озеро – Каспий- ское море. Дельта начинается в месте отделения от русла Волги рукава Бузан (в 46 км севернее Астрахани) и насчитывает до 500 рукавов, протоков и мелких ре- чек. Общая площадь дельты около 25 тыс. км2. За по- следние 130 лет из-за постоянного понижения уровня Каспийского моря площадь дельты Волги выросла в 9 раз. Условия, определяющие наличие или отсутствие дельт, очень разнообразны и из- менчивы от места к месту. Основными являются следующие условия: количество и режим выносимых рекой наносов, характер предустьевого пространства (отмелое, приглубокое, бухта, залив и пр.), режим волнения и течений [10]. Берега, расположенные по внешнему краю дельты, называются дельтовыми. 150

Весьма распространёнными формами микрорельефа прибрежной зоны дна являются формы, известные под названием «знаки ряби». Последние образуются во время действия волн на поверхности береговой отмели, состоящей из мелких частиц грунта – песка, гра- вия, мелкой гальки. Знаки ряби состоят из выпуклости (гряд) и впадин (ложбин), ориентированных параллельно береговой черте. Волновые ряби имеют различные размеры в за- висимости от крупности частиц грунта, а также от си- лы волн и глубины. Размеры ряби выражаются высо- той гребней над ложбинами и расстоянием между гребнями. Соотношение длины ряби к высоте называ- ют её индексом, который колеблется от 4 до 10. Вол- новые ряби могут быть как симметричными, так и несимметричными; в последнем случае крутая сторона всегда направлена в сторону берега. Несимметричные ряби под действием волн перемещаются к берегу и являются ещё одним видом образований, благодаря которым частицы грунта поступают со дна к берего- вой черте. Знаки ряби есть выражение закона Томсона и Гельмгольца, в соответствии с которым поверхность раздела двух сред различной плотности, двигающихся с различны- ми скоростями, имеет волнообразный характер. По этой же причине под действием ветра образуются ряби на поверхности воды, песка и снега. В.П. Зенкович приводит пример из наблюдений Иванса над знаками ряби на озере Дюк-лэйк (США). Асимметричные знаки ряби занимали здесь полосу шириной около 100 футов (1 фут = 30,48 см) и доходили до глубины 3 футов. На глубине 1 фута высота ряби составляла около 1 дюйма (1 дюйм = 2,54 см). Длина короткой стороны ряби достигала 2 дюймов, а длинной – 6,5 дюйма. Скорость передвижения ряби в сторону берега в точке наблюдений составляла 8,5 дюйма за 20 минут. Во время этих наблюдений на поверхно- сти озера наблюдались волны 20-футовой длины и 10-дюймовой высоты. Асимметричные знаки ряби могут образоваться также под влиянием течения, при- чем крутой склон располагается на стороне ряби, обращённой вниз по течению. При дей- ствии течения происходит не только перемещение частиц грунта по рябям, но и сами ряби с меньшей скоростью двигаются в направлении тока воды. Определение характеристик деформации берегов водоёмов является исключительно важным вопросом для практики социально-экономического развития России. Например, в нормативном документе «Учёт деформаций речных русел и берегов водоёмов в зоне под- водных переходов магистральных трубопроводов. ВСН 163-83» определены расчётные характеристики деформации речных русел и берегов водоёмов, необходимые для изыска- ний при проведении проектирования подводных переходов магистральных трубопроводов через реки и водоёмы, а также требования, предъявляемых к ремонтным обследованиям эксплуатируемых переходов. В основу прогнозирования переформирования берегов водоёмов, сложенных размы- ваемыми породами, положена следующая схема процесса. Под действием ветрового вол- нения первоначальный подтопленный береговой склон теряет устойчивость и разрушает- ся. Из материала разрушения формируется пологая, постепенно увеличивающаяся в ши- рину береговая отмель, в границах которой происходит частичное рассеяние волновой энергии. Переформирование берега завершается тогда, когда отмель достигает предель- ной ширины, достаточной для поглощения всей волновой энергии, способной разрушать береговой откос. Для прогнозирования процессов береговых переформирований необхо- димы следующие данные: профиль берегового склона в расчётном створе и сведения о его геологическом строении; сведения о расположении расчётного створа на плане водоёма; профили дна водоёма, ориентированные по четырем наветренным румбам и проходящие 151

через расчётную точку береговой зоны; сведения о ветровом режиме рассматриваемого района водоёма; сведения о режиме уровней воды в водоёме за безледоставный период. Как правило, переработка берегов водохра- нилищ носит более интенсивный характер, чем абразия морских берегов. До создания во- дохранилища в речной долине вырабатывает- ся относительно устойчивое равновесие меж- ду рекой и берегом. При создании водохрани- лища, когда водой заполняется почти вся до- лина, создаются новые условия. Водохрани- лище стремится выработать новый профиль берегов, энергично их разрушая и перераба- тывая. Образуются оползни, обвалы и другие опасные геологические процессы. Особенно интенсивно размываются берега, сложенные рыхлыми осадочными поро- дами. Например, ширина зоны переработки берега, сложенного глинистыми породами, на Днепровском водохранилище достигала более 150 м. На одном из участков Братского во- дохранилища берег за 5 лет отступил более чем на 700 м. Опасность развития береговых процессов заключается в том, что в зону переработки берегов нередко попадают населенные пункты, промышленные и транспортные объекты, линии электропередач, железные и автомобильные дороги и т.д. Переработка берегов во- дохранилищ сопровождается активизацией опасных склоновых и карстово-суффозионных процессов, заболачиванием берегов (Рыбинское водохранилище), развитием просадочных явлений в лёссовых породах (Цимлянское водохранилище) и другими неблагоприятными геологическими процессами. Велики размеры подтапливаемой территории, которая созда- ётся за счет подпора водохранилищем горизонтов грунтовых вод. Зоны подтопления по своим размерам нередко приближаются к самим водохранилищам. Переработка берегов и формирование чаши водохранилища сложный процесс, кото- рый зависит от многих природных и техногенных факторов. К числу важнейших относят геологические условия (литологический состав, свойства и условия залегания горных по- род), размеры и конфигурация берегов водохранилища, гидрологические факторы (в част- ности, силу удара волн, глубину воды, наличие течений), климатические условия. Динамика развития процессов переработки берегов водохранилищ в разные периоды их эксплуатации различна. Выделяют три стадии развития: активную, стабилизации и ди- намического равновесия. Особенно интенсивно берега размываются в первые 2-3 года по- сле наполнения чаши водохранилища. Наибольшему разрушению подвергаются берега с крутизной склонов более 60. На берегах (крутизна склонов менее 60), наоборот, образуют- ся аккумулятивные наносы. Максимальное отступление берега отмечено на Рыбинском водохранилище – 350 м в течение 2 лет после заполнения. Период активной абразии бере- гов сменяется периодом стабилизации, который в зависимости от инженерно- геологических условий, размера водохранилища и других факторов занимает от 10 до 50 лет. Прекращение активных процессов переработки берега свидетельствует о выработке динамического равновесия. Отступание бровки берега практически прекращается, однако некоторые геологические процессы продолжают развиваться, хотя и в незначительной степени. При инженерно-геологических изысканиях для обоснования проектов водохранилищ и строительства в прибрежных зонах основное внимание уделяют прогнозу интенсивно- сти переработки берегов. При прогнозе оценивают ширину полосы возможного размыва берега и интенсивность процесса переработки берега, т.е. ширину береговой полосы, ко- торая будет размыта за 1 год, 10 лет, 20 лет и более. Для этих целей используют в основ- ном метод аналогий и методы расчёта по эмпирическим зависимостям. 152

Защита берегов водохранилища от переработки включает как профилактические, так и инженерные (активные) мероприятия. К первой группе относят мероприятия, направ- ленные на предупреждение развития опасных береговых процессов: планировку берего- вых откосов, лесомелиорацию – посадку древесно-кустарниковых насаждений на берего- вых склонах и подводной растительности берегов, запрещение устройства на склонах раз- личных выемок, землечерпательных работ в основании склонов и др. Вторую группу защитных мер составляют инженерные мероприятия по укреплению береговых склонов. Устраивают различного рода покрытия из камня, асфальта, железобе- тонных плит, экологичных геосинтетических материалов. При создании очень крупных водохранилищ применяются меры по гашению энергии волн (защитные дамбы, волноло- мы, буны и др.). 4.4. Наведённая сейсмичность водохранилищ Исследование взаимодействия объектов человеческой деятельности и геологической среды является исключительно важным научным и практическим вопросом современно- сти, так как геологические факторы всё чаще становятся причинами крупных техногенных катастроф. Одной из таких серьёзных причин является наведённая (антропогенная, техно- генная, возбуждённая) сейсмичность. Под наведённой сейсмичностью в научной литературе понимают два различных процесса: инициирование – воздействие на очаг готового землетрясения; возбуждение – воздействие на определенную зону земной коры, вызывающее одно или рой землетрясе- ний, которые без такого воздействия не произошли бы. Причем эти воздействия могут быть как природными, так и антропогенными (техногенными). К природным факторам наведенной сейсмичности относятся: приливные деформации, связанные с фазами Луны и Солнца, изменение скорости вращения Земли, солнечная активность, инициирование зем- летрясений землетрясениями, погодные явления и пр. К антропогенным факторам наве- денной сейсмичности относятся: возведение и эксплуатация крупных водохранилищ, мощные промышленные и атомные взрывы, добыча полезных ископаемых и даже запуски тяжелых ракет космического назначения. Наведённая сейсмичность, имеющая антропо- генную гносеологию, может проявляться как в сейсмичных районах, так и в асейсмичных: в первом случае наведенная сейсмичность является главным образом инициирующим фактором, а во втором случае – возбуждающим фактором. Рассматривая проблему наведенной сейсмичности при возведении и эксплуатации крупных водохранилищ, выделяют следующие её порождающие факторы: 1. Влияние веса воды водохранилища и объектов гидроузла. Водохранилища явля- ются пространственными объектами, в которых сосредоточены огромные массы воды и плотины (дамбы). Например, насыпная плотина Нурекской ГЭС на реке Вахш имеет объ- ём структуры около 54 млн. м3, что соответствует сосредоточенной массе около 150 млн. тонн грунта. Запасы воды в созданном плотиной водохранилище около 10,5 км3; на зани- маемую водохранилищем площадь 98 км2 действует сила веса воды 10,5 млрд. тонн. Накопление огромной массы воды приводит к изменению гидростатического давле- ния в породах, снижению сил трения на контактах земных блоков. По некоторым данным вероятность проявления наведенной сейсмичности возрастает с увеличением высоты пло- тины. Так, например, для плотин высотой более 10 метров наведенную сейсмичность вы- зывали только 0,63% из них, при строительстве плотин высотой более 90 метров – 10%, а для плотин высотой более 140 метров – уже 21%. Интервал времени от года наполнения водохранилища до года наиболее сильного землетрясения может колебаться от 1 года до 8 лет; наиболее часто – от 1 до 3 лет. 2. Изменение напряжений в элементах земной коры, вызванные водной нагрузкой и скоростью изменения уровня водохранилища. Увеличение активности слабых землетря- 153

сений наблюдалось, например, в момент заполнения водохранилищ Нурекской, Токто- гульской, Червакской ГЭС. Интересные особенности в изменении сейсмической активно- сти на западе Туркменистана наблюдались при перекрытии стока воды из Каспийского моря в залив Кара-Богаз-Гол в марте 1980 года, а затем, при открытии стока воды 24 июня 1992 года. В 1983 году залив перестал существовать как открытый водоем, в 1993 году в него было пропущено 25 км3 морской воды. Благодаря высокой и без того сейсмической активности этой территории, быстрое перемещение водных масс «наложилось» на фон землетрясений региона и спровоцировало некоторые его особенности. Быстрая разгрузка или нагрузка территорий, которые сами по себе отличаются высо- кой тектонической активностью, связанной с деятельностью человека может совпасть с их естественным сейсмическим режимом, и даже, спровоцировать ощутимое людьми земле- трясение. К слову, на примыкающей к заливу территории с большим масштабом работ по добыче нефти и газа, друг за другом возникли два относительно слабых землетрясения в 1983 года (Кумдагское) и 1984 года (Бурунское) с очень небольшими глубинами очагов. В Индии, 11 декабря 1967 года в районе плотины Койна, возникло землетрясение с магниту- дой 6.4, от которого погибло 177 человек. Оно было вызвано заполнением водохранили- ща. Рядом расположенному городку Койна-Нагар был причинен большой ущерб. Случаи возникновения сильных наведенных землетрясений с магнитудами около шести известны при строительстве Асуанской плотины в Египте, плотины Койна в Индии, Кариба в Ро- дезии, Лейк Мид в США и др. 3. Влияние порово-трещинного давления, которое нейтрализует геостатическую нагрузку, уменьшает трение в горных породах, изменяет их прочность, нагрузку и т. д. В некоторых случаях, особенно в сейсмических районах, очень трудно отличить природную сейсмичность от наведенной, что приводит некоторых исследователей к опре- деленному пессимизму в изучении причин наведенной сейсмичности. В настоящее время выделяют три типа сейсмической активности, связанной с водохранилищами по величине выделяемой сейсмической энергии. Первый тип – это микросейсмичность, которая регистрируется высокочувствитель- ными сейсмическими приборами, если они были вставлены в момент строительства и за- полнения водохранилища. В этом случае регистрируются в основном землетрясения с магнитудой менее 2. Как правило, процесс проявления такой сейсмичности коррелируется с колебаниями уровня воды в водохранилище. Ко второму типу относится усиление локальной сейсмичности во время заполнения водохранилища с проявлением уже достаточно ощутимых землетрясений с магнитудами 3-5. Землетрясения такой силы до заполнения водохранилища не происходили. К третьему типу относятся случаи возникновения сильных, разрушительных земле- трясений, способных вызвать катастрофические последствия и людские жертвы. Как пра- вило, эти события сопровождаются длительной серией форшоков и афтершоков, которые связанны с заполнением водохранилища. Форшок – землетрясение, произошедшее до более сильного землетрясения и связан- ное с ним примерно общим временем и местом; афтершок – повторный сейсмический толчок, меньшей интенсивности по сравнению с главным сейсмическим ударом. В целом накопленный к настоящему времени статистический материал говорит о том, что наведенная сейсмичность в большинстве случаев является естественным процес- сом разрядки напряжений, а водохранилище может его усилить (ослабить) и ускорить. В мягких грунтах, спокойно залегающих осадочных горных пород, не накапливают- ся напряжения, что не приводит к выделению сейсмической энергии при заполнении во- дохранилищ водой. Например, водохранилища Серре-Понсон во Французских Альпах. Плотина располагается в зоне распространения сжимаемых грунтов, накопление напряже- ний в которых незначительно. После заполнения водохранилища здесь не произошло ни одного землетрясения. Водохранилище Койна в Индии располагается на базальтовых ла- вах, которые способны накапливать значительное количество скрытой упругой энергии, 154

готовой выделиться в виде землетрясений. Распространение в пределах зон водохранилищ трещиноватых пород с блоковой тектоникой, разломами, с гетерогенными подстилающи- ми породами также способствует возникновению сотрясений земной поверхности. Необ- ходимое условие для проявления землетрясений в районах водохранилищ – наличие ранее существовавших разломов. Отсутствие таковых в определенной степени объясняет асей- смичность многих эксплуатируемых в настоящее время водохранилищ. В различных странах отмечено по меньшей мере 13 случаев, когда под крупными водохранилищами или поблизости от них вскоре после заполнения возникали землетрясе- ния, являющиеся следствиями наведённой сейсмичности. Одно из первых свидетельство наве- дённой сейсмичности было получено в 1935 году при наполнении водохрани- лища Мид позади плотины Гувер (высо- та 221 м), на границе штатов Невада и Аризона. Хотя некоторая местная сей- смичность, по-видимому, проявлялась там и до 1935 года, факт состоит в том, что после 1936 году землетрясения в этом районе стали гораздо более часты- ми. После самого сильного в районе землетрясения 1940 года (магнитуда около 5) сейсмичность стала убывать. Гипоцентры сотен отмеченных землетрясений в районе водохранилища Мид груп- пировались вдоль крутых разломов на восточной стороне водоёма и располагались на глубинах менее 8 км. В последующие годы такие же явления отмечались в районах крупных плотин в не- скольких десятках случаев, но только немногие из них хорошо документированы. Боль- шинство этих плотин имеет высоту более 100 м, и хотя геологическая обстановка вокруг них различна, наиболее убедительные примеры землетрясений, вызванных заполнением водохранилищ, относятся к тектонически активным районам с уже отмечавшимися рань- ше, по крайней мере, слабыми землетрясениями. По всему миру возведены теперь тысячи крупных плотин и в большинстве случаев не отмечено никакой связи между заполнением водохранилищ и землетрясениями; в США из 500 детально обследованных крупных пло- тин только для 4% имелись сведения о землетрясениях с магнитудой более 3,0 на расстоя- ниях до 16 км от плотины. Особый интерес представляют следующие четыре хорошо изученных примера зем- летрясений, вызванных заполнением искусственных водоемов. Первый пример – водохра- нилище Кариба в Замбии, образованное 128-метровой плотиной. Наполнение его началось в 1958 году. Хотя перед постройкой плотины были известны некоторые данные о слабых землетрясениях в её районе, к 1963 году, когда водохранилище было заполнено до про- ектного уровня, расположенные поблизости сейсмографы отметили уже более 2000 мест- ных толчков, главным образом прямо под водохранилищем. Самый крупный толчок с магнитудой 5,8 произошел в сентябре 1963 году, после чего активность стала убывать. Следующий пример – район водохранилища Койна-Варна в Индии интересный тем, что до строительства плотины Койна на севере страны и заполнения соответствующего водохранилища (начало заполнения 1961 год) он считался асейсмичным и инструмен- тальных сейсмических наблюдений в нём не проводилось. Объём водохранилища – 2,78 км3, глубина – до 103 м. Слабые толчки начали появляться, когда объём воды не достиг и половины проект- ного значения. 10 декабря 1967 года неожиданно возникло сильнейшее землетрясение с магнитудой 6.5, получившее название землетрясения Койна и ставшее классическим при- 155

мером землетрясения, возникшего в результате деятельности человека. Аналогичная ситу- ация повторилась и в результате строительства плотины Варна (южнее плотины Койна) и заполнения водохранилища (начало заполнения 1985 год). Таким образом, вот уже почти 50 лет в районе наблюдается сейсмическая активность и ведутся сейсмические наблюдения. Имеющийся каталог землетрясений Койна-Варна включает более 9700 события с магнитудами 0-6.5, произошедшими в интервале глубин 0- 36.8 км. Подавляющее количество землетрясений располагается между водохранилищами и имеет тенденцию к смещению южнее водохранилища Варна. Линейные размеры зоны сейсмической активности составляют 40×60 км. Около половины всех землетрясений ка- талога составляют афтершоки землетрясений с магнитудой более 4. Исследование распре- деления зарегистрированных землетрясений по глубине показало, что 99,6% произошло в интервале глубин 0-20 км. Геологи традиционно характеризовали Индийскую плиту, как один из самых старых континентальных блоков на поверхности земли и как устойчивую структуру, которая, в основном, не подвергалась сейсмическим возбуждениям, но землетрясение 1967 года нарушило данное утверждение и вызывало интерес со стороны геологов, геодезистов, экспертов по строительству дамб и инжене- ров. Этот толчок вызвал существенное по- вреждение расположенных поблизости зда- ний; погибло 177 человек, ранено было больше 1500 человек. Другой выявленной закономерностью наведённой сейсмичности района водохрани- лищ Койна-Варна является то, что они по ритму совпадали с выпадением дождей. Срав- нение частоты землетрясений и колебаний уровня воды позволяет по меньшей мере пред- полагать, что сейсмичность возрастала спустя несколько месяцев после каждого сезона дождей, когда уровень заполнения водохранилища был наибольшим. Еще одна серия наведённых землетрясений, которые определённо были вызваны за- полнением водохранилища, была отмечена в Китае к северу от Гуанчжоу. Строительство плотины на реке Синьфын высотой 105 м было закончено в 1959 году, после чего стало отмечаться возрастающее число местных землетрясений, причем в 1972 году их произо- шло более 250 тысяч. Конечно, в основном это были очень слабые толчки, но 19 марта 1962 года произошло сильное землетрясение с магнитудой 6,1. Выделившейся энергии оказалось достаточно, чтобы повредить бетонную плотину. Для её укрепления потребова- лось частично спустить воду. Большинство землетрясений возникало на глубине менее 10 км. Очаги были приурочены к тому участку, где глубина водохранилища была наиболь- шей, а некоторые гипоцентры совпали с пересечениями главных разломов этого района. Водохранилище Кремаста (Греция) начало заполняться 21 июля 1965 г. С авгу- ста в близлежащих селениях начали ощу- щались слабые сейсмотолчки, участившие- ся к концу года, особенно в январе 1966 го- да. 5 февраля 1966 года произошло земле- трясение магнитудой 6,3. Его эпицентр находился вблизи северного берега водо- хранилища. Землетрясение вызвало боль- шие разрушения, оползни и обвалы. 156

5. Правила использования водохранилищ Согласно Водному кодексу Российской Федерации использование водохранилищ осуществляется в соответствии с правилами использования водохранилищ, включающими в себя правила использования водных ресурсов водохранилищ и правила технической эксплуатации и благоустройства водохранилищ. Правилами использования водных ресур- сов водохранилищ определяется режим их использования, в том числе режим наполнения и сработки водохранилищ, правилами технической эксплуатации и благоустройства водо- хранилищ – порядок использования их дна и берегов. Установление режимов пропуска паводков, специальных попусков, наполнения и сработки водохранилищ осуществляется уполномоченными Правительством Российской Федерации федеральными органами ис- полнительной власти. Перечень водохранилищ (в том числе водохранилищ с емкостью более 10 млн. м3), в отношении которых разработка правил использования водохранилищ осуществляется для каждого водохранилища (нескольких водохранилищ, каскада водохранилищ или водохо- зяйственной системы в случае, если режимы их использования исключают раздельное функционирование), устанавливается Правительством Российской Федерации. Использо- вание прочих водохранилищ осуществляется в соответствии с типовыми правилами ис- пользования водохранилищ, утвержденными уполномоченным Правительством Россий- ской Федерации федеральным органом исполнительной власти. Так, например, на 21 августа 2014 года Распоряжением Правительства Российской Федерации в перечень водохранилищ, в от- ношении которых разработка правил ис- пользования водохранилищ осуществляется для каждого водохранилища, было включе- но 350 водохранилищ. Перечень начинается Аксайским водохранилищем (Республика Дагестан) и заканчивается Яузским водо- хранилищем (Смоленская и Тверская обла- сти). Перечень постоянно корректируется. В соответствии с требованиями Водного кодекса Российской Федерации правила использования водных ресурсов водохранилища должны содержать сведения: характеристики гидроузла, водохранилища либо нескольких водохранилищ или кас- када водохранилищ и их возможностей, позволяющих регулировать уровень воды в водо- хранилищах; основные параметры и характеристики водохранилища, в том числе нормальный во- доподпорный уровень, морфометрические, гидравлические, гидрологические и термиче- ские характеристики; состав и краткое описание гидротехнических сооружений основного гидроузла (пло- тин, водосбросов, водозаборных, водовыпускных и других гидротехнических сооруже- ний), судопропускных сооружений, рыбозащитных и рыбопропускных сооружений, а также сооружений, расположенных в акватории водохранилища и на специально отведен- ной территории водохранилища (водозаборных, водовыпускных сооружений, насосных станций, дамб, берегозащитных сооружений, объектов водного транспорта и других со- оружений, функционирование которых оказывает воздействие на водный режим водохра- нилища); основные характеристики водотока (режим поступления вод и режим стока вод, све- дения о водосборной площади, границы водохранилища, регулирующего водный режим, координаты гидротехнических сооружений и величины потерь стока вод); 157

требования по безопасности водоподпорных сооружений, образующих водохрани- лище, о безопасности жителей и безопасности хозяйственных объектов в прибрежной зоне водохранилища и на нижележащем участке водотока; объём водопотребления; порядок регулирования режима функционирования водохранилища, в том числе для предупреждения аварий и иных чрезвычайных ситуаций в Единой энергетической системе России и при ликвидации их последствий; порядок оповещения органов исполнительной власти, водопользователей, жителей об изменениях водного режима водохранилища, в том числе о режиме функционирования водохранилища при возникновении аварий и иных чрезвычайных ситуаций; порядок проведения работ и предоставления информации в области гидрометеоро- логии; сведения о действиях, осуществляемых при возникновении аварий и иных чрезвы- чайных ситуаций, и перечень соответствующих мероприятий. Правила технической эксплуатации и благоустройства водохранилища должны со- держать следующие сведения: краткое описание водохранилища и гидротехнических сооружений, их основные па- раметры; сведения о зонах воздействия водохранилища (зоне постоянного затопления, зоне периодического или временного затопления, зоне повышения уровня грунтовых вод, зоне возможного изменения берегов водохранилища, зоне климатического воздействия водо- хранилища, зоне воздействия многолетнего, сезонного, недельного, суточного регулиро- вания поверхностного стока вод в водный объект ниже гидроузлов); перечень мероприятий, осуществляемых при эксплуатации водохранилища в зимний период и в период пропуска паводков; перечень мероприятий, осуществляемых при эксплуатации водохранилища в случае возникновения аварий и иных чрезвычайных ситуаций (ливневый паводок, штормовой ветер, сложная ледовая обстановка, пропуск вод в катастрофически большом количестве, землетрясение и другие); ограничения эксплуатации водохранилища и перечень мероприятий по поддержа- нию надлежащего санитарного и технического состояния водохранилища, перечень меро- приятий, осуществляемых в акватории водохранилища, его водоохранной зоне и в зоне водного объекта ниже плотины в связи с использованием водохранилища для целей пить- евого и хозяйственно-бытового водоснабжения, рыболовства и охоты, рекреационных це- лей, для целей водного транспорта, сплава древесины и других целей, а также перечень мероприятий по предупреждению заиления (в том числе очистка от наносов, зарастания, меры по борьбе с цветением воды), по предотвращению поступления загрязняющих ве- ществ и микроорганизмов в водохранилище, по обустройству берегов водохранилища, зоны водного объекта ниже плотины в соответствии с требованиями их хозяйственного использования и требованиями охраны окружающей среды; порядок организации ремонтно-эксплуатационных работ; порядок осуществления наблюдений за состоянием водохранилища (изменением стока вод, температурой воды, испарением, фильтрацией, химическим и биологическим составами воды, толщиной льда, движением наносов, заилением, изменением берегов и другими явлениями); учёт использования водных ресурсов водохранилища; перечень способов наблюдений за техническим состоянием водохранилища и вхо- дящих в его состав сооружений, порядок осуществления таких наблюдений. Разработка, согласование и утверждение правил использования водохранилищ, в том числе типовых правил использования водохранилищ, осуществляются в порядке, установ- ленном Правительством Российской Федерации. 158

5.1. Типовые правила использования водохранилищ Типовые правила использования водохранилищ разработаны в соответствии с тре- бованиями постановления Правительства Российской Федерации от 22 апреля 2009 года № 349 «Об утверждении Положения о разработке, согласовании и утверждении правил использования водохранилищ, в том числе типовых правил использования водохрани- лищ» и утверждены приказом Минприроды России от 24 августа 2010 года № 330, вклю- чают правил использования водных ресурсов (ПИВР) и правил технической эксплуатации и благоустройства водохранилища (ПТЭБ). В соответствии с типовыми правилами осу- ществляется использование водохранилищ, не включённых в перечень водохранилищ (в том числе водохранилищ с ёмкостью более 10 млн. м3), в отношении которых разработка правил использования водохранилищ осуществляется для каждого водохранилища (нескольких во- дохранилищ, каскада водохранилищ или водо- хозяйственной системы в случае, если режимы их использования исключают раздельное функционирование). Типовые правила предназначены для использования: уполномоченными органами исполнительной власти субъектов Российской Федера- ции при осуществлении ими отдельных полномочий Российской Федерации в области водных отношений, реализация которых передана органам государственной власти субъ- ектов Российской Федерации; собственниками гидротехнических сооружений (ГТС), образующих водохранилища и (или) эксплуатирующими такие гидротехнические сооружения организациями; водопользователями при использовании водных объектов в соответствии с заклю- ченными договорами водопользования и решениями о предоставлении водохранилищ в пользование. Органы государственной власти субъектов Российской Федерации реализуют требо- вания настоящих типовых правил: в процессе предоставлении водохранилищ или их частей, находящихся в федераль- ной собственности и расположенных на территориях субъектов Российской Федерации, в пользование на основании договоров водопользования, решений о предоставлении водо- хранилищ в пользование; при осуществлении мер по охране водных ресурсов водохранилищ, включая уста- новление водоохранных зон и прибрежных защитных полос, поддержание надлежащего санитарного состояния водохранилищ, находящихся в федеральной собственности и рас- положенных на территориях субъектов Российской Федерации, за исключением водохра- нилищ, которые полностью расположены на территориях соответствующих субъектов Российской Федерации и использование водных ресурсов которых осуществляется для обеспечения питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения двух и более субъектов Российской Федерации, в соответствии с перечнем таких водохранилищ, установленным Правительством Российской Федерации; при осуществлении мер по предотвращению негативного воздействия вод и ликви- дации его последствий в отношении водохранилищ, находящихся в федеральной соб- ственности и полностью расположенных на территориях субъектов Российской Федера- ции. 159

Правила использования водных ресурсов. Водохранилища могут использоваться в целях: питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения, производства электрической энергии, водного и воздушного транспорта, сплава древесины, охоты, рыболовства и аквакультуры (рыбоводства), обеспечения пожарной безопасности, а также для лечебных, оздоровительных и рекреационных целей. Использование водных ресурсов водохранилищ для целей питьевого и хозяйственно- бытового водоснабжения является приоритетным и осуществляется на основе договоров, заключённых между уполномоченными органами исполнительной власти субъектов Рос- сийской Федерации и водопользователями, и санитарно-эпидемиологических заключений. Последние определяют соответствие водных ресурсов водохранилищ санитарным прави- лам и условиям безопасного использования в соответствии с законодательством о сани- тарно-эпидемиологическом благополучии населения. Сброс сточных вод и (или) дренаж- ных вод в границах зон санитарной охраны источников питьевого и хозяйственно- бытового водоснабжения запрещается. Сброс в границах второго и третьего поясов зон санитарной охраны источников питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения, хо- зяйственными и иными объектами, допускается с соблюдением санитарных правил и норм в соответствии с Федеральным законом «О санитарно-эпидемиологическом благо- получии населения». Водохранилища, образованные для целей технического водоснабжения промышлен- ных и сельскохозяйственных организаций, водообеспечения объектов теплоэнергетики и производства электрической энергии, орошения земель сельскохозяйственного назначе- ния, используются на основании договоров, заключенных между уполномоченными орга- нами исполнительной власти субъектов Российской Федерации и водопользователями с учётом интересов иных водопользователей с соблюдением требований рационального ис- пользования и охраны водных объектов. Использование водохранилищ для обес- печения технологических нужд теплоэнер- гетики и атомной энергетики осуществляет- ся с соблюдением температурных режимов водных объектов, требований к использова- нию и охране водных объектов, сохранению водных биологических ресурсов и других объектов животного и растительного мира, требований о предотвращении негативного воздействия вод и ликвидации его послед- ствий, а также с учётом интересов других водопользователей. Использование водохранилищ, образованных в рыбохозяйственных целях и являю- щихся водными объектами рыбохозяйственного значения, для товарного рыбоводства, организации спортивного и любительского рыболовства, воспроизводства водных биоло- гических ресурсов, осуществляется в соответствии с водным законодательством, законо- дательством о рыболовстве и охране водных биологических ресурсов, законодательством о животном мире. Сброс в водохранилища, являющиеся водными объектами рыбохозяй- ственного значения, вредных веществ, предельно допустимые концентрации которых в водах водных объектов рыбохозяйственного значения не установлены, запрещается. В границах рыбоохранных зон и рыбохозяйственных заповедных зон, установленных в со- ответствии с законодательством, сброс сточных вод и (или) дренажных вод запрещается. Использование водохранилищ для рекреационных целей (отдыха, туризма, спорта) осуществляется при наличии санитарно-эпидемиологического заключения о соответствии водного объекта санитарным правилам и условиям безопасного для здоровья населения использования водного объекта с учетом правил использования водных объектов, уста- 160

навливаемых органами местного самоуправления в соответствии с Водным кодексом Рос- сийской Федерации. Использование водохранилищ рекреационного назначения в иных целях допускается с соблюдением санитарных правил и норм, в соответствии с законода- тельством о санитарно-эпидемиологическом благополучии населения. Использование водных ресурсов водохранилищ, образованных для обеспечения по- жарной безопасности, в иных целях, предусмотренных Водным кодексом Российской Фе- дерации, не допускается. Забор (изъятие) водных ресурсов для тушения пожаров допуска- ется из любых водохранилищ без какого-либо разрешения, бесплатно и в необходимом для ликвидации пожаров количестве. Водный режим водохранилищ, являю- щихся водными объектами рыбохозяй- ственного значения (ограничение объёма безвозвратного изъятия поверхностных вод, обеспечение оптимального уровня воды и сбросов вод в рыбохозяйственных целях) устанавливается с учетом требова- ний по обеспечению сохранения водных биоресурсов. Водопользователи при использовании водохранилищ обязаны: не допускать нарушение прав других водопользователей, а также причинение вреда окружающей среде; содержать в исправном состоянии эксплуатируемые ими очистные сооружения и расположенные в акватории водохранилища гидротехнические и иные сооружения; информировать уполномоченные исполнительные органы государственной власти субъектов Российской Федерации в области водных отношений об авариях и иных чрез- вычайных ситуациях на водохранилищах; своевременно осуществлять мероприятия по предупреждению и ликвидации чрез- вычайных ситуаций на водохранилищах; вести в установленном порядке учёт объёма забора (изъятия) водных ресурсов из во- дохранилищ и объёма сброса сточных вод и (или) дренажных вод, их качества, регуляр- ные наблюдения за водохранилищами и их водоохранными зонами, а также бесплатно и в установленные сроки представлять результаты учета и регулярных наблюдений в соответ- ствии с требованиями водного законодательства. Правила технической эксплуатации и благоустройства водохранилища. Меро- приятия ПТЭБ осуществляются постоянно, в течение всего года. При эксплуатации водо- хранилищ в зимний период времени собственники ГТС, образующих водохранилища, и (или) эксплуатирующие организации осуществляют мероприятия по предотвращению по- вреждений гидротехнических сооружений и берегов водохранилищ в результате ледовых воздействий. В период установления ледяного покрова на акватории водохранилища, в целях быстрейшего образования сплошного ледяного покрова, предотвращения образова- ния навалов льда перед гидротехническими сооружениями и на откосах водохранилищ, а также возникновения зажоров в нижнем бьефе, сброс воды из водохранилища уменьшает- ся. При образовании ледяного покрова значительной толщины, уровень воды в водохра- нилище необходимо держать постоянным, сбрасывая всю поступающую воду в нижний бьеф. Минимально возможный уровень воды в водохранилище для зимних условий уста- навливается с учетом обеспечения зимовки водных биологических ресурсов, обитающих в водохранилище. В случае если предшествующий летний период эксплуатации водохрани- лища сопровождался интенсивным развитием водной растительности, необходимо: ограничивать сработку водохранилища зимой; 161

проводить мероприятия, направленные на увеличение концентрации растворённого кислорода в воде. Ежегодно, за один месяц до прогнозируемого срока наступления весеннего полово- дья собственники ГТС, образующих водохранилища, и (или) эксплуатирующие организа- ции осуществляют следующие мероприятия: проверяют состояние гидротехнических сооружений напорного фронта и береговой зоны водохранилища; проводят необходимый ремонт сооружений, конструкций и механизмов, обеспечи- вающих пропуск половодья; проверяют работу контрольно-измерительной аппаратуры (при наличии такой аппа- ратуры); апробируют работу затворов, подъёмных механизмов и устройств автоматического управления; проверяют надежность электропитания подъёмных механизмов затворов. В случае выявления на гидротехнических сооружениях неисправностей, которые к началу периода половодья (летних паводков) устранить не представляется возможным, при этом они могут привести к возникновению чрезвычайной ситуации, принимаются ме- ры по незаполнению водоёма в период половодья или паводков. При выпадении сильного дождя ливневого характера в период максимальных уров- ней воды в водохранилище, водосборные и водозаборные сооружения открываются для пропуска поступающей воды с учётом пропускной способности отводящего тракта. С целью предупреждения зарастания акватории водохранилища и цветения воды уполномоченными органами исполнительной власти субъектов Российской Федерации реализуются следующие мероприятия: высадка тростника; заселение водохранилища гидрофитами с обязательной уборкой (осенью) образую- щейся растительной массы; локальное изъятие иловых отложений; механическое изъятие избыточной биомассы водорослей из водохранилищ в местах их массовых скоплений; санитарная обработка после сработки водохранилища до отметки уровня мёртвого объёма. В период сработки водохранилища перед началом половодья, а также в процессе пропуска половодья и паводков, при наличии благоприятного прогноза по водности года, собственники ГТС, образующих водохранилища, и (или) эксплуатирующие ГТС органи- зации осуществляют мероприятия по очистке д