Действие плотины на речной поток
Плотины, образующие водохранилища, особенно крупные, приводят к коренным преобразованиям водного режима, увлажненности и микроклимата прилегающих к ним территорий, вызывая изменение их флоры и фауны.
Подпор, созданный плотиной, распространяется на значительные расстояния, вызывая увеличение глубин в реке и уменьшение скорости течения, что приводит к разнообразным последствиям. Так, повышаются уровни грунтовых вод в речных поймах, долинах и в прибрежной зоне водохранилищ. Это явление в большинстве случаев отрицательно сказывается на окружающей среде, так как сопровождается заболачиванием территории, выпадением лесов по берегам водохранилищ в северных районах, засолением почв в южных районах, всплытием торфяников и др.
В связи с уменьшением по мере приближения к плотине скорости течения потока в водохранилище происходит выпадение из воды наносов, которые сортируются по крупности сообразно со скоростями течения, то есть с постепенным уменьшением крупности по направлению к плотине.
Помимо наносов, приносимых рекой, твердый материал поступает в водохранилище за счет обрушений берегов вследствие размывающего действия воды, вследствие оползней, осыпей и обвалов крутых берегов. Все эти процессы приводят к так называемому переформированию берегов водохранилищ и образованию пологих «пляжей» в прибрежной зоне.
В связи с отложением наносов емкость водохранилища уменьшается, причем темпы такого уменьшения зависят от количества наносов, от емкости водохранилища, условий работы последнее и других факторов. Были случаи, когда построенное водохранилище заиливалось за относительно короткий срок – за несколько лет. Например, подпорный бьеф Земо-Авчальской ГЭС на реке Куре в течение 5 лет был заилен на 60 %, Штеровское водохранилище на реке Миус (Донбасс) за такой же период – на 85 %, Гиндукушское водохранилище в Средней Азии почти полностью занесено за 13 лет.
Вместе с тем существуют водохранилища, которые почти не заиливаются; к ним относится водохранилище одной из высочайших в мире плотин Боулдер (на реке Колорадо), которое в соответствии с проведенными расчетами должно заполниться илом только через 445 лет.
Заиление наших крупных водохранилищ на Волге, Дону и других равнинных реках происходит очень медленно и практически, за исключением явлений в хвостовых участках, не имеет значения.
Откладывающиеся наносы не только уменьшают полезную емкость водохранилища и создают в хвостовой его части затруднения для судоходства, но и приводят к постепенному подъему уровня воды в верхнем бьефе, а также более дальнему от плотины распространению кривой подпора, что вызывает увеличение затоплений земель. Поэтому при проектировании и эксплуатации водохранилищ на реках с повышенным содержанием наносов приходится учитывать возможность заиления водохранилищ, и в случае необходимости – намечать соответствующие меры по борьбе с этим явлением.
Если ситуация такова, что насыщенность водного потока наносами значительно уменьшается за счет осаждения их в зоне водохранилища, то тогда в нижний бьеф водоподпорного сооружения поступает осветленная вода. В результате устойчивость русла в нижнем бьефе, установившаяся в предшествующий строительству плотины период, нарушается, так как поток начинает интенсивно размывать русло и насыщаться наносами в соответствии со своей «транспортирующей способностью». При этом дно русла нижнего бьефа будет несколько понижаться, иногда на значительных расстояниях от плотины (десятки и даже сотни километров). Снижение дна русла в нижнем бьефе может вызвать:
· нарушение устойчивости мостовых опор;
· понижение уровня грунтовых вод в берегах, что сопровождается, в частности, обсыханием колодцев;
· ухудшение работы ранее построенных водозаборов.
После строительства плотины существенно меняется и ледово-термический режим на участке реки, оказавшейся в зоне распространения подпора. В верхнем бьефе вследствие резкого замедления скоростей течения быстрее наступает ледостав, ледяной покров достигает большей толщины, чем имел место до строительства сооружения, затягиваются сроки вскрытия, что отрицательно сказывается на условиях судоходства и даже может оказать влияние на микроклимат прилегающей территории.
Накопление больших объемов воды способствует аккумуляции в водохранилищах дополнительного тепла (впрочем, мало влияющего на ледовый режим верхнего бьефа). Это тепло, поступая с водой в нижний бьеф, вместе с высокими скоростями потока зимой замедляет формирование за плотиной ледяного покрова, приводя к образованию полыней. А полыньи, как известно, при определенных метеорологических условиях являются «фабриками шуги». Шуга же, перемещаясь водным потоком в больших количествах на нижележащие участки реки, где установился ледяной покров, способствует образованию зажоров, приводящих к зимним наводнениям и образованию обширных наледей, иногда приносящих значительный ущерб народному хозяйству (выход из строя дорог, мостов, линий электропередач и связи и т. п.).
Источник
Глава 2. Гидросфера
В.В. Братков, Н.И. Овдиенко
Геоэкология
Учебное пособие. – М., 2005.
Глава 2. Гидросфера
2.4. Антропогенные процессы в гидросфере
2.4.1. Сооружение водохранилищ и их влияние на окружающую среду
В антропогенном перераспределении ресурсов пресных вод создаваемые водохранилища играют большую роль, даже если при сооружении плотины главной целью было создание ГЭС, а не мелиоративные мероприятия. Сооружение водохранилищ в аридных областях позволяет до некоторой степени компенсировать недостаток запасов пресных вод, получить резерв воды для орошения значительных площадей земельных угодий, для промышленных и бытовых нужд, несколько увлажнить и смягчить климат прилегающего района. Однако, давая некоторый экономический эффект, водохранилища вызывают также ряд отрицательных, часто не запрограммированных и не учтённых последствий в воздействии на окружающую среду.
Воздействие водохранилищ на окружающую среду разнообразно. При изучении антропогенного воздействия на литосферу уже отмечался рост случаев спровоцированных водохранилищами землетрясений (см.раздел 1.3.3).
Влияние водохранилищ на режим вод. При строительстве водохранилищ резко уменьшается проточность, турбулентность воды, сокращается водообмен, создаются условия для возникновения застойных зон. Затопленные плодородные почвы и растительность обогащают воду большим количеством питательных элементов. Это приводит к изменению гидрохимического состава воды, к созданию благоприятных условий для развития болезнетворных бактерий и водорослей в водоёмах.
Влияние водохранилищ на осадконакопление. Общая площадь созданных человеком на Земле водохранилищ оценивается к настоящему времени около 500 тыс. км 2 , а полный объём их вод — свыше 6000 км 3 ; что же касается естественных озёр, то площадь их зеркала составляет 2682 тыс. км 2 при объёме вод около 250000 км 3 . Показательно, что ежегодное осадконакопление в акваториях водохранилищ составляет 13,38 млрд. т, а в естественных озёрах лишь 4,83 млрд. т. Сопоставляя приведённые цифры, получим, что, хотя площадь искусственных водохранилищ меньше площади естественных озёр в 6 раз, а объём вод меньше в 45 раз, ежегодное осадконакопление в водохранилищах более чем в 2,7 раза превышает естественное осадконакопление в озёрах. Это обусловлено тем, что модуль седиментации (или скорость осадконакопления на единицу площади акватории) водохранилищ почти в 17 раз выше модуля седиментации в естественных озёрах. Иначе говоря, скорость антропогенного осадконакопления в искусственных водохранилищах в связи с замедленной проточностью вод многократно превысила скорость подобного процесса, протекающего в естественных условиях, и вес ежегодно отлагающихся осадков в водохранилищах уже намного выше веса осадков, накапливающихся в озёрах естественного происхождения.
Мелководья в водохранилищах. Для водохранилищ, сооружаемых на равнинных реках, характерно широкое развитие мелководий, например, акватория Киевского водохранилища на 50% приурочена к мелководью. Это увеличивает нерациональные потери затопленных сельскохозяйственных земель, тогда как рост запасов воды на мелководьях весьма незначителен.
При создании водохранилищ в горных ущельях удаётся значительно сократить площадь затопляемых земель и образующихся мелководий; однако у плотин на горных реках, из-за резкого снижения скорости течения при большой массе транспортируемого обломочного материала, наблюдается быстрое заполнение водохранилища наносами и соответствующее уменьшение накапливаемых вод.
Воздействие водохранилищ на берега. У водохранилищ различают зоны постоянного, временного затопления и подтопления. В зоне временного затопления из-за переувлажнения грунтов развиваются процессы размыва и обрушения берега, чему способствуют также абразионная деятельность волн и разрушение в этой полосе почвенно-растительного покрова. Зона подтопления формируется под влиянием подъёма уровня грунтовых вод и может достигать многокилометровой ширины в зависимости от фильтрационных свойств грунтов, режима и уровня грунтовых вод. В этой зоне может происходить заболачивание и ухудшение санитарных условий местности; в области лесных ландшафтов в зоне подтопления происходит деградация древостоя и снижение товарной ценности леса.
Сооружение крупных водохранилищ в условиях умеренного климата с достаточным увлажнением способствует росту влажности климата в окружении акватории и особенно с подветренной стороны по отношению к господствующим ветрам, в результате чего избыток влаги приводит к деградации почвенно-растительного покрова. Подобные последствия заболачивания наблюдались нами в районах Рыбинского водохранилища и Московского моря.
Влияние водохранилищ на районы ниже плотины ярко прослеживается в субтропических и тропических широтах, где, из-за прекращения или резкого сокращения затопления пойменных земель, приостанавливается поступление плодородного ила на заиливавшиеся ранее земли, а также происходит исчезновение мелких притоков — местообитаний рыбы. Это приводит к резкому снижению продуктивности земель и вызывает неблагоприятные экономические последствия. Так обстоит дело с районами ниже плотин Акосомбо на р.Вольта, Каинджи на р.Нигер, Асуанской на р.Нил и др.
Источник
Плотина водохранилища создает тормозящий эффект воде
Плотины позволяют контролировать сток рек, накапливая воду для орошения и производства электроэнергии . В то же время их строительство часто наносит непоправимый урон окружающей среде .
(Плотина Гувера на р. Колорадо (гра ница штатов Аризона и Невада, США). Эта плотина высотой 221 м контролирует сток реки, накапливая воду для орошения, а ГЭС снабжает электроэнергией соседние штаты. Это гравитационная арочная плотина, устойчивость которой обеспечивается как ее массой, так и формой.)
Первые плотины представляли собой простые земляные насыпи, при помощи которых человек перегораживал реки для создания водоемов. Такие рукотворные озера служили запасом воды, жизненно важным в местности с сухим климатом, где летом реки мелеют или вовсе пересыхают. Много плотин построили в Европе и Северной Африке, древние римляне, широко используя камень и известковый раствор. В 1 в. н. э. по приказу императора Нерона вблизи Рима были построены три плотины для создания искусственных озер, предназначенных для отдыха и развлечений.
Промышленная революция, начавшаяся в 1760-х гг., прежде всего, потребовала улучшения транспорта. Это обусловило начало интенсивного строительства плотин во многих европейских странах. Часть из них предназначалась для повышения Уровней рек и превращения их в судоходные, другие обеспечивали водой судоходные каналы. Примерно в это же время в Англии была создана система стандартных земляных плотин для снабжения водой промышленных предприятий В Испании до наших дней сохранились плотины и системы акведуков, построенные римлянами. Мавры, длительное время владевшие Пиренейским полуостровом, не создавали водоемов, предпочитая хранить воду в подземных хранилищах. После их изгнания строительство ирригационных плотин возродилось, и в скором времени Испания стала мировым лидером в этой области. Отсюда техника строительства распространилась по многим испанским колониям. Например, в Боливии испанцами была построена система каменных плотин, обеспечивающая постоянную подачу воды на приводимые в действие водяными колесами камнедробильные устройства серебряных рудников. В захваченной испанцами Мексике и Калифорнии также было построено большое количество плотин. Примерно в это же время в богатой лесом Но вой Англии поселенцы для обеспечения водой механических лесопилок сооружали деревянные плотины. Разработка в конце ХIХ в. эффективных гидротурбин и электрогенераторов позволила сооружать электростанции, превращающие энергию движущейся воды в электроэнергию. Любая гидроэлектростанция (ГЭС) включает в себя плотину предназначенную для создания необходимого для работы турбины перепада уровней воды. В наше время ГЭС производят значительную часть потребляемой человечеством энергии. Например, в Норвегии почти 100% электроэнергии вырабатывается на ГЭС.
(Временами перемычка используется для отвода воды при постройке постоянной плотины. В данном случае перемычка войдет в состав постоянного сооружения.)
Плотина, сооруженная из материала одного вида, например из грунта, называется однородной. Многие земляные плотины, особенно на небольших реках, используются до настоящего времени. В таких плотинах обязательно должны быть предусмотрены водосливы с большой пропускной способностью, поскольку земляные плотины легко размываются при переполнении водоема. Необходимо также не допускать просачивания воды сквозь плотину или под ней, так как при этом из плотины вымывается грунт.
(Плотина Итайпу длиной около 8 км. на р. Парана, по которой проходит бразильско-парагвайская граница.)
Современные насыпные плотины неоднородны. В них обычно создается водонепроницаемая центральная часть (ядро), переходящая в такое же водонепроницаемое основание. Ядро стандартной земляной плотины, разработанной в Англии в ХIХ в., состояло из глины, а проходивший под ним ров предотвращал сдвиг сооружения.
(Плотина Гувера с четырьмя водозаборными башнями.)
Каменные плотины стали широко применяться в Калифорнии во время «золотой лихорадки» 1849 г. Первые из этих сооружений строили из не связанных между собой, сваленных в беспорядке камней, которые засыпались дерном, обеспечивающим водонепроницаемость. Позже для создания ядра плотины стали использовать камни большого размера, а поверхность, обращенную водоему, покрывать водонепроницаемой обшивкой из бревен или бетонных плит. Чем выше перепад уровней, создаваемый плотиной, тем большее давление она должна выдерживать. Плотина, устойчивость которой обеспечивается ее массой (сила трения плотины об основание пропорциональна ее весу), называется гравитационной. Обычно такая плотина имеет форму ровной стены. В Египте вблизи Каира обнаружены остатки древнейшей гравитационной плотины, построенной в 2750 г. до н. э. Эта плотина состояла из двух параллельных стен, сложенных из камня, каждая толщиной 24 м. Промежуток между ними был засыпан гравием. Общая ширина плотины у основания составляла около 84 м. Но даже такая массивная плотина не смогла выдержать напор воды и была опрокинута ее давлением. Сплошные гравитационные плотины из камня достаточно дороги, но они используются и в наше время в тех случаях, когда вследствие природных условий давление воды нельзя рассредоточить на склоны и дно русла, и всю нагрузку должна выдерживать сама плотина. Пример гравитационной плотины сплошной каменной кладки — плотина Гранд-Кули на р. Колумбия в штате Вашингтон (США).
(Искусственный водопад, образующийся при сбросе воды через плотину. Потенциальная энергия, которой обладает вода, находясь на уровне верхнего края плотины, превращается в кинетическую энергию движения. В турбинах, соединенных с электрогенераторами, кинетическая энергия воды преобразуется в электроэнергию.)
Арочная плотина имеет форму дуги, обращенной выпуклой поверхностью в сторону высокого уровня воды. Такая конструкция изменяет направление прилагаемых к плотине сил, распределяя нагрузку в боковом горизонтальном направлении. Главное преимущество использования арки в конструкции плотины заключается в том, что при расходовании такого же количества материала, как при строительстве гравитационной плотины, можно построить более прочную конструкцию. Поскольку такая плотина опирается не только на дно, но и на склоны речной долины или ущелья. Первыми преимущества арочных плотин в узких скалистых ущельях поняли испанцы. Одна из первых арочных плотин (15 в.) была по строена в г. Эльче. При высоте 23 м она имела толщину 10 м, т. е. отношение высоты к толщине немногим превышало 2:1 — а это слишком мало, чтобы считать ее гравитационной плотиной.
(Гидротурбина Френсиса преобразует кинетическую энергию воды в энергию вращающегося вала, который приводит в действие генератор электрического тока. Вода из расположенного за плотиной водохранилища подается к турбине по стальным трубам.)
При значительном увеличении радиуса дуги (спрямлении плотины) арочная структура теряет прочность, поэтому одно-арочной плотиной трудно перекрыть широкую реку. В 18 в, в Испании был найден путь решения этой проблемы. В это время здесь начали строить плотины, состоящие из нескольких дуговых сегментов небольшого радиуса, опирающихся на контрфорсы, закрепленные в дне реки. Эта конструкция оказалась очень успешной и получила широкое распространение. Она используется до настоящего времени, например, в плотине Бартлетт высотой 87 м на р. Верде в штате Аризона (США) и в плотине на р. Ингури в Грузии высотой 272 м.
(ГЭС «Тумут-3» — часть гидротехнического комплекса в Снежных горах (штат Новый Южный Уэльс, Австралия.)
Плотина из бревен живет не более 50 лет. Это объясняет, почему в настоящее время их осталось так мало. Деревянное перекрытие редко остается водонепроницаемым дольше нескольких лет: вскоре появляется течь, и плотина начинает требовать постоянного ремонта. Однако строения из бревен могут быть незаменимы в качестве водонепроницаемой крепи при отводе воды с места строительных работ, например при строительстве опор мостов реки. Они могут использоваться также в качестве временных перемычек при постройке постоянных плотин. Плотины с настилами из стальных пластин и стальными контрфорсами появились в 1900-х гг. Но из-за высокой стоимости и необходимости постоянного технического обслуживания они не получили широкого распространения.
(Развивающееся смещение склона однажды подвергло опасности плотину Гримвис в Йоркшире (Англия). Здесь показано решение проблемы: установка на лицевой поверхности плотины 160 железобетонных анкеров.)
Влияние на окружающую среду
Одна из проблем заключается в заиливании водоемов. Осаждаемый в водохранилище ил иногда значительно уменьшает его полезный объем. Например, озеро Мид — искусственный водоем, образовавшийся за плотиной Гувера (США), — за первые 14 лет существования потеряло из-за осаждения ила 3% своей емкости. Накопление ила в водохранилищах может иметь и другие последствия. Например, в Египте земли в долине Нила столетиями удобрялись речным илом, попадающим на поля во время регулярных разливов. Сейчас этот процесс естественного удобрения прекратился, поскольку весь ил оседает в расположенном выше по течению Асуанском водохранилище. Следующая проблема заключается в испарении воды и, следовательно, в повышении концентрации солей. Поэтому воду некоторых водохранилищ невозможно использовать для розлива.
(Водослив плотины Лин Брайанн в Уэльсе. Для предотвращения перелива через плотину воды отводится через бетонный канал со скоростью течения около 160 км/час.)
Затопление больших участков земли, расположенных выше по течению, также вызывает ряд проблем. При этом часто уничтожаются целые населенные пункты с тысячами жителей, вынужденными переселяться в другие места. Большой ущерб затопление наносит дикой природе и сельскохозяйственным угодьям. Могут оказаться под водой древние памятники, как это произошло на Ниле, или, как при строительстве плотины на р. Янцзы, уникальные по красоте ландшафты. Поскольку потребность в энергии все время возрастает, плотины часто строят в местах, раньше считавшихся для этого непригодными. Иногда плотины строят даже в сейсмоопасных зонах. Кроме того, некоторые сейсмологи считают, что повышенное локальное давление, создаваемое на земную поверхность искусственными водоемами, может стать причинойземлетрясений. Действительно, в некоторых регионах после постройки плотин отмечаются слабые подземные толчки, которые не наблюдались раньше.
(Современные плотины из бетона имеют относительно небольшую толщину. В отличие от гравитационных плотин, которые могут выдержать значительное давление воды благодаря своей массе, прочность арочных плотин обеспечивается их формой.)
Источник
