Морфологическая классификация водохранилищ

Водные ресурсы, которые могут быть накоплены в водохранилище, зависят от происхождения и строения отрицательной формы рельефа, выбранной в гидротехническом проекте в качестве ложа водохранилища и утвержденной высотной отметки НПУ. Поэтому предназначение каждого водохранилища, технические, экологические и экономические факторы, влияющие на выбор местоположение створа гидроузла, его конструкции, размера плотины и других^[1][2]

гидротехнических сооружений, служат дополнительными причинами гораздо большего разнообразия формы ложа водохранилищ (рис. 2.2) по сравнению с естественными озерами.

Рис. 2.2. Очертания некоторых крупных водохранилищ мира. Пойменнодолинные: /- морфологически простые: Кариба (1), Каховское (2), Днепродзержинское (3), Волгоградское (4), Боткинское (5), Новосибирское (6), Веселовское (7), Кайраккумское (8), Оахе (9), Форт-Рендолл (10), Кентукки (11); II- морфологически сложные: Вольта (12), Куйбышевское (13), Насер (14), Братское (15), Кременчугское (16), Горьковское (17), Камское (18), Цимлянское (19), Ириклинское (20), Санмынся (21), Бхакра (22), Карнапхули (23), Кебан (24), Фурнас (25), Трес-Мариас (26), Илья-Солтсйра (27), Ринкон-де-Бенете (28), Пауел (29), Мид (30), Форт-Пек (31), Гаррисон (32), Виллистон (33); III котловинно-долинные простые: Каинджи (34), Мингсчаурскос (35), Храмское (36); IV- сложные: Нарвское (37), Иваньковское (38), Рыбинское (39); V- озернокотловинные простые: Виктория (40), Княжегубское (41), Выгозерское (42); VI- сложные: Смолвуд (43), Гуэн (44); VII- долинно-котловинные: Гранд-Репидс (45), Даниел-Джонсон (46), Бухтарминское (47), Верхне-Свирское (48), Шекснинское (49) и Иркутское с Байкалом (50).

По морфологическим признакам водохранилища делят на три класса — долинные, долинно-котловинные (озерно-речные) и котловинные (рис. 2.3).

К водохранилищам долинного класса относят водоемы, ложем которых стал отрезок речной долины. Характерная черта формы долинного водохранилища — продольный уклон дна. Поэтому глубина в них увеличивается от области выклинивания подпора в верховьях в сторону водоподпорного гидроузла (см. рис. 1.6 а). Водохранилищам этого класса свойственна сильно удлиненная форма, при которой длина водоема в 5−10 раз и более превышает его ширину. Поскольку долина как отрицательная форма рельефа выработана водным потоком — рекой, долинные водохранилища нередко называют «речными» независимо от того, насколько они проточны, извилисты, широки или сложны по своей конфигурации.

Водохранилища долинного класса делят на три подкласса: русловые, пойменно-долинные и котловинно-долинные.

Рис. 2.3. Морфологическая классификация водохранилищ (МП — морфологически простые,.

МС — морфологически сложные водоемы Водами руслового водохранилища затоплена только низкая пойма в пределах русловой ложбины (побочни, осередки и т. п.), которая в естественном состоянии реки ежегодно покрывается водой в половодье и дождевые паводки (сравнительно небольшая территория, практически не используемая в хозяйстве). На равнинных реках — это небольшого объёма, очень вытянутые и нередко сильно извилистые водоёмы. Они обычно создаются на участках рек, приток к которым сильно зарегулирован вышележащими водоёмами. Благодаря этому на таких участках речной системы не бывает большого половодья, при котором могла бы затапливаться высокая «луговая» пойма.

Примером подобного водохранилища служит Перервинское в г. Москве, длиной 38 км, площадью всего 10,6 км' и ёмкостью 50 млн. м³, на крутых участках берега которого стоят Кремль и Московский университет. К русловому подтипу относятся и водохранилища на горных реках, созданные в пределах ущелий или каньонов.

Водами пойменно-долинного водохранилища затоплена много большая территория высокой поймы. До сооружения гидроузла она заливалась речными водами только в высокие половодья. В пойменно-долинных водохранилищах особенно крупного размера затоплению подвергаются, кроме того, участки одной или нескольких надпойменных террас и частично коренные склоны речной долины. Морфологически простые долинные водохранилища находятся на бесприточном участке реки или участке без крупных притоков. К этой морфогенетической разновидности, наряду с изображенными на рис. 2.2. /, относятся и многие водохранилища меньшего размера: Воронежское, Можайское на р. Москва, Майнское на Енисее и др. У всех них сильно вытянутая форма ложа, но заметно менее извилистая, чем у русловых. Изрезанность же их береговой линии значительно больше из-за обычно многочисленных заливчиков. Они образуются в устьях балок или долин ручьёв и речек, расчленяющих коренные склоны и надпойменные террасы. Кроме того, в верховьях водохранилищ этой разновидности большая изрезанность береговой линии нередко вызвана положением уреза воды на поверхности высокой поймы, имеющей сложный микрорельеф.

Морфологически сложной разновидностью водохранилищ этого класса считают водоёмы, имеющие относительно крупные притоки, приустьевые участки долин которых затапливаются при НПУ (рис. 2.2. If). Образуются глубоко вдающиеся в водосбор один или несколько заливов, морфологически подобных затопленному участку главной долины. Эти участки нередко называют лопастями водохранилища, его — мпоголопастпым водоёмом. Извилистость их береговой линии особенно велика из-за большой разветвлённости акватории. Впервые на это обратил внимание С. Д. Муравейский^[3], сопоставивший очертания только что созданного Истринского водохранилища с формой естественных озёр особенно сложной конфигурации.

где Lq — длина водохранилища по продольной оси главной долины, L, — длина затопленного участка долины каждого его притока. К морфологически сложным водохранилищам следует относить водоёмы с у >1,5.

Для разграничения морфологически простых и морфологически сложных долинных водохранилищ можно использовать коэффициент разветвленности водоема Например, значения у для морфологически простых водохранилищ Можайского и Павловского на р. Уфа равно 1,1, Волгоградского и Мингечаурского — 1,2, Новосибирского — 1,3, тогда как для Братского оно равно 2,0, Камского — 2,4, Вазузского — 2,9, Рыбинского — 5,9.

Из 36 крупных водохранилищ с площадью >100 км² и емкостью >1 км³, построенных в СССР, число морфологически простых пойменнодолинных почти такое же (12), как и многолопастных (14), но среди долинных водоемов среднего и малого размера подавляющее большинство (70%) относится к их морфологически простой разновидности.

Несмотря на большое разнообразие типов речных долин, имеются и общие закономерности строения речной сети, предопределяющие морфометрические параметры водохранилищ долинного класса: во-первых, — гиперболического вида форма продольного профиля реки, которая в первом приближении аппроксимируется равенством /= к//А, где / - уклон реки, Л — длина реки от истока, и к/ - некий коэффициент^[4].

Во-вторых, в верхних звеньях речной сети, наряду с большими уклонами, глубина эрозионного расчленения рельефа обычно больше, что особенно характерно для горных регионов. К низовьям речных систем возрастает ширина долин. Поэтому показатель удельных затоплений небольших по площади водохранилищ на малых и средних реках заметно меньше, чем на крупных равнинных реках. И, чем дальше расположен гидроузел от истока реки, тем больше акватория образуемого им долинного водохранилища. Эта же закономерность относится и к емкости водохранилищ долинного класса, хотя она в большей степени, чем акватория, зависит от высоты плотины.

Еще разнообразнее по морфологической структуре, очертаниям акватории и распределению глубин котловинно-долинные водохранилища (Вилюйскос, Зейское, Бурсйское и показанные на рис. 2.2 /// и IV). Они образуются при затоплении водой отрезков речных долин, которые врезаны в дно котловин различного происхождения (древних озёрных чаш, зандровых низин, межгорных котловин). Для таких водохранилищ остаются характерными основные признаки формы водоёма долинного типа: удлинённость в плане и общий уклон дна в сторону образующего водоём гидроузла. Однако их водами затапливаются при НПУ не только дно и склоны долины, но и расположенные на более высоких отметках участки дна и склонов котловины. В водохранилищах долинного класса реофильпая флора и фауна речной экосистемы и затопленные наземные биоценозы замещаются реофильными в русловых водохранилищах, а в двух других подклассах — преимущественно лимнофильными водными организмами.

Морфологически подобны долинным водохранилищами завальные озёра (см. группа III водоемов в морфогенетической типизации озёр), а также мельничные пруды на небольших реках и пруды, создаваемые в оврагах, балках и долинах ручьёв.

Все котловинные водохранилища формой ложа сходны с озёрными чашами (см. рис. 1.6 б). Поэтому их ложе не бывает столь асимметричным, как у долинных водохранилищ. К озёрнокотловинному их подклассу относятся природные озёра, уровень воды в которых поднят плотиной. Она расположена в истоке озёрной реки или на небольшом удалении от него — там, где река прорезает край озерной котловины (рис. 2.2 V и VI). Примером морфологически простого котловинного водохранилища служит современное оз. Виктория, подпёртое гидроузлом Оуэн-Фолс в истоке р. Виктория-Нил и обладающее наибольшим в мире полезным объёмом, равным 208 км³. При создании таких водохранилищ затоплению подвергается, как правило, сравнительно узкая полоса прибрежной территории, площадь которой меньше акватории самого озера. В преобразованном так озёре затопленная наземная околоводная экосистема трансформируется в прибрежную (литоральную) экосистему, что в большинстве случаев не оказывает заметного влияния на жизнь озёрной биоты в целом.

Морфологически сложные озёрно-котловинные водохранилища возникают в озёрных системах при таком повышении уровня одним или несколькими гидроузлами, что возникает единый водоём, состоящий из нескольких затопленных котловин.

Например, Верхневолжское водохранилище объединяет при НПУ котловины озер Стерж, Пено, Волго и Вселуг, а наиболее крупное и морфологически сложное водохранилище такой разновидности — Смолвуд (см. рис. 2.2 VI). объединившее более 30 озерных котловин в бассейне р. Черчилл, находится на востоке Канады в провинции Ньюфаундленд и Лабрадор.

Другой подкласс котловинных водоёмов — депрессионпые, водами которых затапливают природные впадины (депрессии) или выкопанные. Такие водохранилища чаще называют «наливное» или «котлованное». Они не предназначены для регулирования речного стока, и поэтому, по существу, это — крупные пруды. Размещаются они обычно в понижениях пойменного рельефа, в котловинах высохших озёр, в отгороженных дамбами заливах водоёмов. Ёмкость наливных водохранилищ нередко увеличивается обвалованием и заполняется водой из ближайшей реки или соседнего водоёма. К этому подклассу техногенных водоёмов относятся:

• — пруды-охладители ТЭС и АЭС с замкнутым водооборотом;
• — верхний и нижний аккумулирующие бассейны ГАЭС, соединенные трубами-водоводами;
• — пруды в выработанных и затопленных водой карьерах (Румянцев, Кромер, 2008);
• — шламохраншшща — отстойники сточных вод добывающей, металлургической и других отраслей промышленности. Для увеличения ёмкости таких отстойников нередко ложбину перегораживают глухой дамбой (без водосбросных сооружений);
• — рыбоводные пруды;
• — выкопанные городские и сельские пруды — копани.

Водохранилище долинно-котловинного класса состоит из озёрной котловины и протяжённого затопленного участка речной долины. Поэтому ложе каждого из них — морфологически сложное, так как состоит из двух морфогенстически разных частей. Эти части различаются и морфометрическими характеристиками, и особенностями гидрологического режима. Такие водохранилища, следовательно, могут называться «озёрно-речными»^[5].

Характерными особенностями формы ложа долиннокотловинного водохранилища служит более узкая приплотинная речная часть по сравнению с включённой в состав водохранилища озёрной котловиной, а также хорошо выраженный на продольном профиле порог в бывшем истоке реки из озера (см. рис. 1.6 в). Относящиеся к этому классу водохранилища (рис. 2.2 VII) имеют очень большую полезную ёмкость. Она образуется в громадных по площади котловинах этих озёр при небольшом (на 1−2 м) подъеме в них уровня воды из-за подпора вытекающих из них озёрных рек.

Даже в Шекснинском водохранилище, включающем котловину мелководного оз. Белое, глубина в приплотинном участке при НГ1У достигает 17 м, а в озёрной части она втрое меньше. В озерной части сосредоточено 80% полезного объёма, потому что се площадь в 3−4 раза больше акватории долинной части водохранилища.

В справочных изданиях обычно площадь, объём и другие морфометрические параметры водохранилищ этого класса приводятся раздельно — для озера и для долинной части водохранилища. Хотя и с водохозяйственных, и с экологических позиций эти природно-техногенные водоёмы рассматривают как водохранилища с особо большим полезным объёмом, а увеличивающийся размах внузриг одовых колебаний уровня нередко относят к негативным последствиям регулирования стока из озера.

Подавляющее большинство техногенных водоёмов в мире емкостью более 1 млн. м³ относится к долинному классу, главным образом, за счет многочисленных прудов. Долинные водохранилища ёмкостью >10 млн. м³ в России составляют 82% общего числа водохранилищ. Среди водохранилищ преимущественно гидроэнергетического назначения их доля — 87%, а среди водохранилищ — источников водоснабжения — достигает 94%.

Водохранилища долинного класса по сосредоточенным в них водным ресурсам доминируют не только в водном хозяйстве России, но и во всем мире, составляя около 75% общего числа больших водохранилищ (от 40−60% в Северной Америке и Европе до 90−97% в Азии, Африке и Южной Америке).

• [1] Россолимо Л. Л. Некоторые черты из прошлого Глубокого озера // Вопросы голоцена. — Вильнюс, 1961. — С. 285−309.
• [2] Маев Е. Г., Маева С. А. Этапы развития Аральского моря в голоцене // Историяозер в СССР.-Т. 2.-Таллин, 1983.-С. 127−128.
• [3] Муравейский С. Д. Материалы по биологической продуктивности водохранилищ. Истринское водохранилище // Зоол. журнал. — 1937. — Т. X. — Вып. 6. — С. 975−996.
• [4] Маккавеев Н. И. Русло реки и эрозия в его бассейне. — М., Изд-во АН СССР, — 347 с.
• [5] Второе название класса водохранилищ — «речные», «озёрные», «озёрно-речные» -менее терминологически чёткое, чем основное. Оно не отражает морфологическуюструктуру водохранилища и служит лишь обозначением гидрографического обликатехногенного водоема.