По масштабам воздействия на природу со­оружение водохранилищ относится к наиболее крупным проявлениям техногенеза, оказывающим глобальное влияние на биосферу нашей планеты.

Гидротехнические сооружения привели к деградации речных экосистем, особенно рек европейской части, Урала, юга России, где сосредоточена только 1/4часть стока рек, а водозабор составляет 3/4 от суммарного общего водозабора.

Выделяют следующие районы воздействия водохранилищ на окружающую среду:

1) прилегающая территория в верхнем бьефе;

2) долина реки ниже плотины;

3) участки водохозяйственного влияния (орошае­мые массивы).

3.2.1 Негативное воздействие водохранилищ (при строительстве и эксплуатации) на окружающую среду/13/

1 Водохранилища приводят к затруднению стока грунтовых вод, снижению природной дренированности и подтоп­лению территорий, что нарушает в них структуру и состав биогеоценозов, вызывает эвтрофирование и ухудшает их санитарное состояние.

Затопление и подтопление значительных пло­щадей плодородных и застроенных земель и связан­ные с ним заболачивание и засоление поверхностных и подземных вод и пород зоны аэрации и почв ведут к их деградации и изъятию из сельскохозяй­ственного использования. Потери на 1987 г. (СССР) состав­ляли приблизительно 100 тыс. га продуктивной зем­ли в год, а всего на 1986 г. в результате строительства ГЭС и гидромелиорации утрачено 100 млн га земли — по площади территория Франции. При строительстве Братской ГЭС и водохранилища не успели вырубить лес (тайга), в результате под воду ушло 40 млн м3 древесины, она медленно гниет, загрязняет воду, суда не могут подойти к некоторым участкам берега – днища задевают за верхушки затопленных деревьев. Снижается проточность воды, что уменьшает самоочищающуюся способность и биопродуктивность водоема. Теряется земля, происходят моральные, исторические, этнические, культурные, экономические потери.

По характеру изменения почвенного и раститель­ного покровов выделяют несколько последовательно сменяющихся зон: постоянного, периодического и эпизодического затопления; заболачивания; сильно­го, умеренного и слабого подтопления; активного и эпизодического климатического влияния. Ширина отдельных зон колеблется от нескольких метров до нескольких километров.

В результате сезонного и многолетнего регулирования происхо­дит снижение водного стока в половодье и его уве­личение в межень. За счет перемешивания речных вод в водохранилищах 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 водохранилища существенно отличается от режима рек, то биомасса в водохранилище образуется интенсивнее, меняется видовой состав флоры и фауны. На ряде водохранилищ в первые годы их эксплуатации появлялись плавающие торфяные острова площадью от нескольких квадратных метров до сотен гектар.

Затопление территории приводит к деградации почв и гибели наземной растительности. На мелко­водьях формируются ассоциации высшей водной и прибрежно-водной растительности. В зоне перио­дического затопления и заболачивания образуются болотные и торфяно-болотные почвы, на которых преобладают гигрофиты (наземно-водные растения, погруженные в воду только своими нижними частями и растущие по берегам водоемов, на мелководьях и на болотах, например, тростник обыкновенный). В зоне подтопления грун­товые воды находятся на небольших глубинах (1 - 3 м). За счет этого происходит увлажнение и олугование почв, увеличивается биомасса растительных сообществ.

Создание водохранилищ существенно изменяет ландшафт речных долин, а регулирование стока преобразует естественный гидрологический режим реки в пределах подпора.

В результате заполнения водохранилищ проис­ходит подпор грунтовых вод, 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, наблюдается в зоне шириной от нескольких десятков метров до мно­гих километров. Подъем их уровня приводит к подтоплению фундаментов зданий, подземных коммуникаций, сельскохозяйственных и других уго­дий, расположенных в прибрежной зоне водохра­нилищ.

Нарушение гидрологического режима рек, вы­званное гидротехническим строительством, ведет к засолению и эвтрофикации водохранилищ (напри­мер, Куйбышевское водохранилище, построенное в 1957 г.). Уменьшение скорости течения вызывает выпадение наносов и заиление водохранилища. Создание водохранилищ и крупных ГЭС оказало негативное влияние на режим многих речных систем, в частности, сооружение Волжско-Камского и Днепровского каскадов превратило великие самоочи­щающиеся реки в непрерывные цепи гниющих руко­творных водоемов. Последствиями этого являются безвоз­вратные потери больших объемов пресной воды, гибель рыбы и ухудшение общего санитарно-гиги­енического состояния прилегающих территорий.

В целом водохранилище для реки представляет собой комплексный геохимический барьер (меха­нический, сорбционный, щелочной, биогеохимичес­кий), на котором осаждаются терригенные взвеси, карбонат кальция, органическое вещество и содер­жащиеся в них сорбированные ионы химических элементов.

Образование органического вещества и антропогенное эвтрофирование /14/. В водо­хранилищах устанавливается своеобразный гидро­биологический режим, отличный от речного. В большинстве случаев изменяется видовой состав фитопланктона - значительно увеличивается био­масса и продукция органического вещества. Ведущее значение приобретают сине-зеле­ные водоросли, по сравнению с диатомовыми в обычных естественных условиях, составляющие 80-90% массы водорослей.

Зарегулирование речного стока способствует уси­ленному эвтрофированию водоемов. Под эвтрофированием понимается увеличение продукции орга­нического вещества, вследствие возрастающего поступления в водоем биогенных элементов, сти­мулирующих рост гидробионтов. В эвтрофных во­доемах среднесуточная чистая продукция состав­ляет 0,6-8 гС/м2, в мезотрофных - 0,25 - 1 гС/м2, в одиготрофных - 0,05 - 0,3 гС/м2. Повышение за­паса питательных веществ в водных объектах про­исходит под влиянием природных и антропоген­ных факторов. Основными природными факторами являются: речной и поверхностный сток, фотосинтез и фиксация азота биологическими системами, аллохтонное органическое вещество. Однако есте­ственное эвтрофирование - слабый и длительный процесс, он резко интенсифицируется в услови­ях техногенеза.

Избыточное накопление биогенных образований в водохранилищах связано с их поступлением из затопленных почв, с промышленными, хозяйственно-бытовыми и сельскохозяйственными стоками, из донных отложений, разлагающихся остатков фи­топланктона и высшей водной растительности.

К числу наиболее негативных проявлений отно­сится цветение воды водохранилищ, что определя­ется в основном сине-зелеными водорослями. Их бурному развитию благоприятствует ослабленное течение, высокая прозрачность, 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 при кон­центрации сине-зеленых водорослей 1г/м3, но не­редко их биомасса достигает значений 1500-2000, а в местах скоса до 5000-7000 г/м3. 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 ведет к нарушению фотосинтеза, массово­му отмиранию и разрушению водорослей, погло­щению кислорода и выделению продуктов распада. В результате происходит вторичное биологическое загрязнение, ухудшается качество воды и санитар­ное состояние водоема. В пятнах цветения, по сравнению с незагрязненными участками, содер­жание органических веществ возрастает в 20-150 раз, NН4 - в 4-115, фосфатов в 5-10 раз. Появляются фенолы, цианиды и другие 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 водохранилищ.

2 Активизация экзогенных геологических про­цессов - эрозии, оползней,

суффозии, карста и др.

Берега водохранилищ представляют собой неус­тойчивую форму рельефа, наблюдаются развитие экзогенных геологических процессов - эрозии, суффозии (процесс вы­мывания мелких частиц из горных пород без раз­рушения их структуры фильтрующейся водой, часто сопровождающийся оседанием вышележащих по­род, образованием воронок, провалами и т.п.), оползней и др. Берега легко размываются вол­нами, в результате чего под воду уходят сельско­хозяйственные, лесные, рекреационные и другие угодья. Усилению абразии (размывающее дейст­вие прибоя волн) способствуют штормо­вые ветры. Интенсивная переработка берегов водо­хранилищ и их обрушение ведут к загрязнению воды в водохранилищах и ухудшению ее качества вследствие минерализации. Загрязнение воды в во­дохранилищах также вызвано их использованием различными ведомствами для сбора сельхоз- и промстоков.

Для предотвра­щения разрушения необходимы берегоукрепительные мероприятия, выполненные на основе инженерного расчета с учетом гидрологических и геолого-морфо­логических данных побережья.

3 Нарушение гидрологического режима озер и рек при его регулировании водохранилищами, вызванное усилением неблагоприятных русловых процессов, в итоге ведущих к деградации русла.

4 Безвозвратные потери воды, связанные со значительным увеличением поверхности испарения, с фильтрацией в дно и берега водохранилищ и каналов и заилением водохранилищ.

5 Экономический ущерб, наносимый при строительстве плотин рыбному хозяйству и транспорту. Особое значение имеет уменьшение половодий, в результате чего ухудшаются условия нереста рыб и произрастания трав на пойменных лугах. Плотина ГЭС является непреодолимым препятствием, для рыб, идущих на нерест.

6 Измене­ния гидрометеорологических условий. В прибрежной зоне под влиянием водохранили­ща происходит изменение климата. Для крупных водохранилищ отмечаются изменения микроклимата в узкой прибрежной полосе (ширина 3-10 км). Ширина этой зоны возрастает в районах с избыточным увлажне­нием и снижается в засушливых областях. Весной на побережье оказы­вается охлаждающее влияние, осенью и в начале зимы — отепляющее.

Климатические преобразования выража­ются в сглаживании резких колебаний темпера­тур (смягчается температурный режим (суточный, годовой)), увеличении влажности воздуха, скорости и повторяемости ветров. При прохождении ветрового потока с суши на водоем происходит изменение ветрового режима. На участках с различным береговым ре­льефом разворот розы ветров возможен до 450. Создание водохранилища значительно влияет на скорость ветра в сторону ее увеличения в среднем за год на 15-20%, а в отдельные осенние месяцы - до 30%. На водохранилищах высота ветровых волн больше, чем на реках (до 3 м и более).

В нижнем бьефе изменяется температурный и ледовый режим, образуется не замерзающая всю зиму полынья (иногда длиной в десятки км). В результате изменения гидрологического режима реки, зарегулированной водохранилища­ми, при большом влагонасыщении и низких тем­пературах воздуха в конце осени и зимой возмож­но развитие туманов, испарения.

7 Заиление и размыв берегов водохра­нилищ.

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, устойчивость береговых пород. По мере увеличения продолжительности существова­ния водохранилища и выработки устойчивого про­филя интенсивность переформирования береговой линии уменьшается, сокращается ее длина и изрезанность.

Строительство плотины снижает скорость потока, что приводит к осаждению переносимых рекой наносов. В результате основная часть твер­дого стока рек аккумулируется в водохранилищах. Количественную характеристику процессов транс­портировки и аккумуляции вещества дает уравне­ние материального баланса

МР + МП + МЭ + МБ + МД + МПЛ + МБН + МВР + МА = МС + МО,

где МР - взвешенные и влекомые наносы основно­го потока; МП - то же боковых притоков; МЭ - материал эолового переноса; МБ, МД - материал размыва берегов и дна; МПЛ, МБН, МВР - вещество, поступившее с планктоном, бентосом и высшей вод­ной растительностью; МА - антропогенные стоки; МС - сток через гидроузлы; МО - аккумуляция в водохранилище.

К главным источникам вещества в водохрани­лищах относятся твердый сток с водосборной пло­щади донная и береговая абразия. Например, поступление вещества от стока наносов: Рыбинское водохранилище - 791 тыс.т/год (от общей величины - 18%), Кременчугское водохранилище - 948 тыс.т/год (10%); от размыва берегов и дна: Рыбинское водохранилище - 3625 тыс.т/год (80 %), Кременчугское водохранилище - 7870 тыс.т/год (87%). Поступление за счет других факторов не превыша­ет 1-10% от суммарной величины.

Специфической особенностью равнинных водо­хранилищ является размыв берегов и дна, часто сложенных рыхлыми осадочными породами (Куйбышевское водохранилище имеет общую протяженность берегов 2500 км, размываемых - 1400 км (56%)). При­чем этот процесс захватывает значительную часть береговой линии и наиболее распространен в водо­хранилищах степной зоны (Цимлянское водохранилище имеет общую протяженность берегов 660 км, размываемых - 462 км (70%)). Количество поступающего при этом абразионного мате­риала значительно превышает твердый сток рек, а для внутрикаскадных водоемов этот источник ми­нерального вещества является основным. Большая часть поступившего материала (70-99%) аккумулируется в водохранилище, а меньшая (преимущественно тонкодисперсные ми­неральные и органические взвеси) выносится через гидроузлы.

Интенсивность заиления водохранилищ зависит прежде всего от скорости течения. Чем меньше проточность, тем большая аккумулирующая 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 потребуется несколько сот лет.

Переработка берегов водохранилищ. После постройки плотины в верхнем бьефе созда­ется водохранилище. Это коренным образом меня­ет условия, ранее существовавшие для берегов и при­брежных склонов. Берега покрываются водой в зависимости от величины ее 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 факторов, чем те, которые принимали участие в формировании берегов и склонов неподпруженной реки, по берегам водохранилища уста­навливаются новые формы склонов.

При создании водохранилища размыв берегов течением (эрозия) сменяется размывающим дейст­вием прибоя волн (абразией), поэтому процессы переработки берегов водохранилищ аналогичны аб­разии по берегам морей и озер. Под воздействием абразии, вызываемой 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 приобретает новые очертания, а в подводной части склона, в пределах зоны сработки уровня водохрани­лища и глубины абрадирующего действия волны, формируется абразионно-аккумулятивная отмель с большей или меньшей крутизной поверхности. Чем прочнее породы, слагающие склон, тем более круп­ный материал представляют собой продукты их разрушения и более крутой будет форма бечевника, 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 абрадирующие берега; небольшой глубиной, порядка первых десятков мет­ров, и малой величиной сработки уровня - до нескольких метров.

Горные водохранилища устраиваются в доли­нах горных рек и каньонах. Акватория их значи­тельно меньше равнинных, но глубина измеряется десятками, а иногда несколькими сотнями метров. Для них, наряду с абразией, характерно сильное выветривание горных пород, способствующее раз­витию осыпей, обвалов и оползней по высоким береговым склонам в зоне сработки уровня водо­хранилищ, измеряемой несколькими десятками метров. Особое внимание следует уделять возможности возникновения оползней при создании гор­ных водохранилищ, находящихся в узких доли­нах, таких как Токтогульское на р. Нарын, Рогунское на р. Вахш и др. Известно немало примеров обрушения оползней в водохранилища, имеющих катастрофические последствия. Так, 9 сентября 1963 г. на севере Италии оползень быстро сошел в водохранилище, созданное плотиной Вайонт, запол­нил значительную его часть, достигнув противопо­ложного берега, и вызвал перелив воды через плотину высотой в 265,5 м. При этом ниже плоти­ны образовался катастрофический паводок, в ре­зультате которого погибло более 1800 человек и был нанесен огромный материальный ущерб.

Формы и скорость переработки берегов в различ­ных горных породах различны. Наиболее интенсив­но она протекает в первые 2-3 года эксплуатации водохранилища; далее, 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 лессовых 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 легкоразмываемых породах, составляет десятки метров, общая же ши­рина зоны переработки может достигнуть несколь­ких сотен метров. Наиболее интенсивно переработ­ка идет на берегах, наветренных по отношению к господствующим ветрам, если в этом направлении зеркало водохранилища имеет большую ширину. Форма ее зависит от рельефа — изрезанности бе­реговой полосы, а также формы и угла наклона береговых склонов. Пологие берега (с углами на­клона 1-4) подмываются слабо. В таких местах образуется широкая полоса болот. При крутизне склонов 5-10 создается пологий бечевник и на этом размыв заканчивается. Наибольший размыв наблюдается вдоль крутых склонов (10-90°).

При изучении условий устройства водохранили­ща следует наметить места, где ожидается значительная переработка берегов, которая будет затра­гивать важные в хозяйственном отношении участки: населенные пункты, промышленные объекты, до­роги, ценные угодья, месторождения полезных ис­копаемых, и принять меры для их защиты (таблица 10).

Таблица 10 - Меры защиты берегов водохранилищ

Мероприятие Виды укреплений
Укрепление береговых склонов 1 Каменная мостовая
2 Камень в плетеных ивовых корзинах
3 Габионы (камень в проволочных сетках)
4 Бетонные плиты
5 Асфальтовые покрытия
6 Фашинно-хворостяные покрытия
7 Лесомелиорация (посадка корнеотпрысковых растений)
8 Свайные стенки
9 Шпунтовые заборы
10 Мелиорация грунтов (цементация, силикатизация,
обжиг и пр.)
Гашение энергии волнения 1 Защитные дамбы и волноломы
2 Посадка подводной растительности у берегов
3 Буны или шпоры
4 Намыв отмелей
5 Уполаживание подводного склона

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. Она сводится к следующему:

1) пассивная защита (мероприятия, не изме­няющие режима водоема или водотока): сооруже­ние стенок набережных, волноотбойных стен, опоя­сок; покрытие склонов железобетонными плитами и отмостками; создание искусствен­ных пляжей и др.;

2) активная защита (мероприятия, воздействую­щие на режим водоема или водотока): сооружение поперечных бун и продольных волноломов на бе­регах водоемов, струенаправляющих дамб, попере­чных полузапруд, шпор на крупных реках, отвод водотоков, спрямление русел и т.п.

Фильтрационный поток, двигающийся из верх­него бьефа (водохранилища) и огибающий плечи плотины, вызывает суффозионные процессы по бе­регам водохранилища и в бортах нижнего бьефа. Они нарушают устойчивость берегов и склонов и тем самым под действием гидродинамического давления способствуют возникновению оползней, которые при­нято называть суффозионными. На крутых склонах суффозия развивается в зоне выветривания. Вынос мелкого материала обычно приводит к опусканию без разрывов почвенного и дернового слоя. Мероприятия по предотвращению развития этих про­цессов в глинах сводится к защите их от выветри­вания - покрытие песком, перемятой глиной, битумизация и др.

8 Сейсмические явления, вызванные со­оружением водохранилищ. В последнее вре­мя изучается вопрос о возникновении землетрясе­ний в связи с созданием крупных и глубоких водохранилищ. Установлено, что в горной мест­ности большие водохранилища перед высотными плотинами повышают сейсмичность района. В сейс­моактивных областях создание искусственных во­дохранилищ вызывает землетрясения.

Один из первых случаев возникновения сейсми­ческих явлений при заполнении водохранилища был отмечен в 1932 г. во время строительства в Алжире гравитационной плотины Фодда высотой 100 м на реке Уэд-Фодда. В основании плотины залегают нижнеюрские плотные и прочные сильнотрещиноватые известняки. Сооружение на­ходится в зоне антиклинального поднятия, осложненного рядом сбросов со значительной амплиту­дой смещений. В период заполнения водохранилища (конец 1932 г. - май 1993 г.) наблюдались многочисленные сейсмические толчки, исходившие из гипоцентра, который находился на глубине 300 м, достигавшие 7 баллов по 12-балльной шкале. После окончания заполнения водохранилища сейсмические толчки прекратились.

Впоследствии землетрясения такого происхож­дения были зафиксированы в Австралии, Греции, Индии, Италии, Пакистане, России, США, Фран­ции, Швейцарии, Японии и других странах. За период с 1933 по 1978 гг. в мире отмечено 72 случая повышения сейсмической активности в районе водохранилищ.

В 1970 г. ЮНЕСКО создало рабочую группу экспертов для изучения всей информации об ис­кусственно вызванных сейсмических явлениях. Советский эксперт Н.И.Николаев пришел к выводу (1972 г.), что искусственные земле-трясения образуются в областях, где наблюдаются сейсмическая активность и интенсивное проявление тектоничес­ких напряжений. Под влиянием современных тек­тонических движений в условиях сложного геоло­гического строения массивах пород возникает неравномерное напряженное состояние и развива­ются деформации, охватывающие участки с высо­ким давлением пластовых и трещинных вод.

Механизм возникновения искусственных земле­трясений пока недостаточно ясен, но можно пред­положить, что вследствие проникновения воды из водохранилища в массив пород увеличиваются поротрещинное давление и напряженное состояние пород по разломам и зонам ослабления, что и вызывает землетрясение. При этом нагруз­ка от водохранилища способствует движению по­род, а физическое взаимодействие молекул воды со скальными породами снижает их прочность.

Основными мероприятиями по уменьшению воз­бужденной водохранилищем сейсмичности 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 воздей­ствия и взрывы.

3.2.2 Негативное воздействие, связанное со строительством и эксплуатацией плотин/13/

1 Деформации русловых процессов и их последствия. Гидротехнические сооружения су­щественно влияют на режим рек. Отличительной 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 величине сработках зеркала (опусканиях уровня) водохранилища, течение наблюдается, но значи­тельно слабее, чем до подпруживания реки. Поэто­му эрозия перестает играть существенную роль. Зато малая проточность водохранилищ ведет к тому, что начинает сильно проявляться отложение рекой твердого стока. Начинаясь в хвостовой части водо­хранилища, этот процесс распространяется вниз по течению к плотине. Водохранилище постепенно заносится осадками, происходит заиление водохра­нилища. У водохранилищ на равнинных реках твердый сток в значительной части состоит из трудно осаждающихся глинистых частиц, поэтому заиление идет медленно. Горные реки несут боль­шое количество твердого стока и имеют значитель­ный уклон, благодаря чему водохранилища на них обычно бывают в длину и по емкости небольшими, поэтому быстро заполняются обломочным матери­алом и заиляются, иногда нацело. В этом случае плотина из водоудерживающей превращается в водоподъемную.

2 Изменение режима уровней, стока наносов, расходов воды. В ниж­них бьефах развивается деформация общего раз­мыва дна, сопровождающаяся снижением уровней воды. Общий размыв происходит из-за недостатка в потоке руслообразующих фракций наносов, кото­рые задерживаются в верхнем бьефе. Например, на равнинной р. Дон в нижнем бьефе Цимлянского гидроузла понижение уровней за первые 8 лет составило 1,3 м.

В руслах из крупнозернистых отложений в про­цессе размыва образуется отмостка. Отмосткой русла называется укрупнение фракционного состава рус­ловых отложений в ходе русловых процессов. Со­противляемость отмостки размыву тем больше, чем она крупнее, т. е. чем больше толща перемытого потоком грунта. Вблизи гидроузла 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 сме­щается 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 (смыв берегов). Размыв берегов — это вид деформации русла, приносящий наибольший ущерб народному хозяйству.

Снижение уровня воды при общем размыве — это как бы снижение базиса эрозии для рек-прото­ков. Поэтому мероприятия по регулированию, со­кращению или недопущению общего размыва надо проводить как на основной реке, так и на ее при­токах.

3 Занесение русел в нижних бьефах начинается обычно не от бытового 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 при подъеме русла и уровней воды являются подтопление прилегающей территории; утрата руслом дренирующей способ­ности; 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 коллекторах, примыкающих к реке; сокращение пропускной способности гидро­узла и т. Д.

В некоторых случаях требуются специальные санитарные допуски.

4 Коренное преобразование реч­ной системы ниже гидроузлов. Изменяются при­родные условия в реке, дельте, пойме, трансфор­мируется характер хозяйственного использования этих объектов. В реке, ниже водохранилища, из­меняются гидрологический, гидрохимический, гид­робиологический режимы, сток взвесей и характер эрозионных процессов, естественный баланс веще­ства на этих участках водосбора.

Благодаря аккумулирующей способности и внутриводоемным процессам, химический состав воды и взвесей, поступающих в водохранилище и выте­кающих из него, существенно отличается. Это отражается на балансе вещества в нижнем участке реки. В результате зарегулирования и сокращения водного стока, в ионном балансе 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 увеличивается с 28 до 78%. При этом высокие 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 возросла в 1,5-3 раза. Наибольшие изменения в речной долине ниже водохранилищ связаны 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 сократилась 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. Так, в пойме нижнего Дона за последнее десятилетие площадь природных ландшафтов со­кратилась на 13%, а рыбоводных прудов и рисо­вых севооборотов возросла соответственно в 4 и 11 раз.

5 Давление плотины на основание и его влияние на грунтовые условия. При эксплуатации гидроэнергетических сооружений наблю­даются различные инженерно-геологические про­цессы. К их числу относятся: уплотнения пород в основании плотины или шлюза; давление пород на стенки и основание шлюза в условиях перемен­ного режима давлений при его наполнении и опорожнении.

К мероприятиям по укреплению основания пло­тин относятся: выемка слабых пород, противофильтрационные экраны, дренажи, химическое закреп­ление и др.

Возрастание напоров усиливает фильтрацию воды через породы, что, в свою очередь, вызывает увеличение гидродинамического давления фильт­рующего потока и возникновение суффозии.

Раз­личают два вида суффозии - механическую и хи­мическую. Механическая суффозия происходит за счет выноса тонких фракций из несвязной рыхлой породы через ее крупные поры фильтрующейся водой, а химическая - за счет выноса в виде рас­твора растворимой части породы.

Механическая суффозия может быть внутрен­ней, когда частицы грунта перемещаются внутри грунтового массива, и внешней, когда они выно­сятся фильтрационным потоком из грунтового массива.

При возрастании гидродинамического давления фильтрационного потока порода может потерять связность и суффозия сменяется плывунными яв­лениями.

При значительном растворении породы хими­ческая суффозия переходит в карст, а при массо­вом выносе частиц механическая суффозия может привести к образованию так называемого «глинис­того» и «лессового» карста.

Механической суффозии сопутствует кольматация, которая заключается в отложении из фильт­рующейся воды тонкозернистых фракций в порах или пустотах несвязной рыхлой породы. Это при­водит к снижению фильтрационной проницаемос­ти породы.

Сооружение плотины изменяет естест­венный режим поверхностных и подземных вод, что ведет к возникновению антропогенного карста и активизации природного. Это связано с усилени­ем циркуляции воды в породах.

Понятие карст означает совокупность процессов химического растворения горных пород, ведущих к разрушению их структуры, а также формы ре­льефа, образовавшейся в ходе этих процессов в растворимых породах и над ними. Понятие «карстообразование» равнозначно процессу растворения и свидетельству о разрушении водорастворимых скальных пород, которое ведет к образованию в горных породах пустот различной формы (каналы, поноры, пещеры, каверны и др.), часто сопровож­дающемуся провалами и оседаниями кровли и об­разованием воронок, озер и других впадин на зем­ной поверхности. Вода действует как растворитель, приток которой в растворимые породы обеспечивают поверхностные и подземные воды.

Карстообразованию подвержены все растворимые в воде породы: осадочные (известняк, мергель, известковые песчаники, содержащие известь конгло­мераты и брекчии, мел, доломит, ангидрит, гипс, хлоридные соли); метаморфические (мрамор, известково-слюдистый сланец). Так как растворимость пород сильно уменьшается от хлоридных к сульфат­ным, а от сульфатных - к карбонатным отложени­ям, каменную соль, гипс и ангидрит относят 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 растворимость 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 системы находятся макро- и микрокомпонентный состав подземных вод и миг­рация микроэлементов (железо, цинк, медь, свинец и др.), ха­рактеризующих техногенное загрязнение подземных вод.

Внешние условия, способствующие развитию карста. Известняки, доломиты, гипсы и другие породы этой группы в большинстве случаев водо­проницаемы только по трещинам. Поэтому трещинноватость пород, в частности тектоническая, спо­собствует возникновению карста.

Тектонические трещины, расширенные выветриванием, могут обу­словливать очень большую величину коэффициен­та фильтрации воды в закарстованных породах. При высоких скоростях движения воды растворе­ние теряет свое первоначальное значение и начи­нают действовать процессы эрозии. Подземные реки с большими расходами и большими скоростями производят под землей такую же работу, как и открытые водотоки на ее поверхности. В результа­те их действия образуются огромные подземные пещеры, достигающие многих километров в длину и больших размеров в поперечном сечении. Так, при строительстве Гумати ГЭС в Грузии была встре­чена пещера длиной в несколько километров.

Гидротехническая практика знает случаи, ког­да искусственно созданные в карстовых районах водохранилища не удавалось заполнить во­дой (например, в Андалузии была возведена плотина высотой 72 м на месте развития трещиноватых и закарстованных известняков).

Противокарстовые меро­приятия делятся на активные и пассивные. Пассивная защита предусматривает воз­ведение специальных инженерных сооружений, предотвращающих влияние карстовых провалов. Такие меры надежны в случае, когда 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 карста, а иногда могут его активизировать.

Активное воздействие на процесс заключается в устранении причин, порождающи­х и активизирующих карст, учитываются все поверхностные и подземные стоки, с максимальной полнотой обеспечивают осушение геологи­ческой среды гидротехнического комплекса.

Мероприятия по управлению карстовым процес­сом в гидротехническом строительстве приведены в таблицах 11, 12.

Наиболее простая задача - борьба с поверх­ностным стоком, значительно сложнее справиться с потоком подземных вод. В первом случае - это создание противофильтрационных экранов, во вто­ром сложные дренажные системы и противофильтрационные сооружения. Противофильтрационная завеса, действующая в верхнем бьефе Камской ГЭС более 35 лет, увеличивает путь движения подземных вод, повышая степень насыщения их компонентами растворимой породы, отчего вода при подходе к защищаемому участку теряет свою агрессивность.

Сели. Сели могут возникнуть при прорыве речных пло­тин, при разрушении различного рода насыпных дамб, ограждающих водоемы различного назначе­ния.

В ряде случаев для борьбы с селями приходится возводить крупные гидротехнические сооружения, например, каменно-набросная плотина в долине р. М. Алмаатинка выше катка Медео, построенная в 1971 г. для защиты г.Алма-Аты от селей. Пло­тина высотой 145 м и шириной

Таблица 11 - Мероприятия по управлению карстовым процес­сом в гидротехническом строительстве. Активное воздействие на процесс

Мероприятие Назначение меро-
приятия
Рекомендации по применению
Организация поверхностного водоотвода: устройство пе-рехватывающих и водосбор-ных канав; тампонаж воро-нок, провалов, трещин и других участков водопогло-щения; покрытие террито-рии различными водонепро-ницаемыми экранами из глины, битума, цемента или синтетических пленок Предотвращение посту-пления агрессивных поверхностных вод в карстующийся массив; снижение активности карстового процесса Целесообразно применять при возведении всех видов ин-женерных соо-ружений
Регулирование гидрологи-ческого, гидрохимического и термического режима по-верхностных водоемов (водо-хранилищ) и водотоков, осу-ществляяемое путем контро-ля за проточностью, уровен-ным режимом и предотвра-щением сброса промышлен-ных стоков Поддерживание естес-твенной обстановки развития карстового процесса; на искус-ственных водоемах – снижение скорости ак-тивизации карстового и суффозного процессов; стабилизация уровне-вого режима и гидрав-лических уклонов Применяется при строитель-стве на берегах естественных и искусственных водоемов, осо-бенно в области развития соля-ного и сульфат-ного карста
Сооружение различных проти-вофильтрационных завес из бетона, битума, гелей для измене­ния фильтрацион­ного и уровенного режимов подзем­ных вод

Уменьшение прони­цае-мости пород и скорости движения подземных вод, увеличение пути фильтра-ции под­земных вод; соз-да­ние зоны затруд­ненно-го водообмена; снижение или полная ликвидация агрессивности подземных вод, поступивших в район сооружения Широко исполь-зу­ется при гид-ротехническом строительстве

Покрытие стенок выработок, прой­денных в легко раствори-мых породах (соль, гипс, анги-дрит), водонепроницае­мым ма-териалом Предотвращение и ликви-дация процессов раство-рения и гидратации При строитель-стве в области распространения легкораствори-мых пород (соль, гипс)

Таблица 12 - Мероприятия по управлению карстовым процес­сом в гидротехническом строительстве. Пассивная защита.

Вид защитного
сооружения
Назначение защит­ного сооружения Защищаемое сооружение
Свайные конструк­ции: подзем-ные стенки, сооружен­ные из со-прягаю­щихся бетонных свай, устроенных в скважинах боль-шого диаметра (600-1200) Противофильтрационное назначение, ис­пользуются в качестве фунда-ментов В качестве фун­да-ментов плотин при сильной закарстован-ности
Тампонаж закарс­тованных от-ложе­ний различными раствора-ми (песчано-глинистыми, гли-нисто-цемент­ными, цементны­ми, битумным, цементно-шлаковы-ми), быстротвердеющими смеся-ми и пенными раствора­ми, за-полнение отдельных полос­тей путем инъек­ций; пневматичес­кая закладка полостей Укрепление за­кар-стованных основа-ний Здание ГЭС, плотины и др.
Создание водоне­проницаемых завес вокруг выработок или на пути подземного стока (осуще-ствляется путем нагнетания спе-цииальных растворов или замо-раживанием) Предотвращение поступления под-земных вод в вы-работки; ликвида-ции утечек из во-дохранилищ Шахты, тоннели, котлованы, водохра-нилища
Обрушение малоус­тойчивой кровли карстовых полос­тей взрывом Предотвращение возможных обва­лов кровли и про-валов Применяется во всех видах стро­ительства

в 550 м в 1973 г. Остановила сель настолько сильный, что наиболь­шие из его глыб достигали размеров 45 м3 и веси­ли 120 т. В селехранилище емкостью 6,2 млн м3 было задержано 4 млн м3 грязекаменной массы и до 1,5 млн м3 паводковой воды.

Перечисленные выше факторы воздействия во­дохранилищ и изменения в прилегающих районах образуют сложные сочетания. На одной и той же территории возможно затопление и подтопление, изменение климата, почв и растительности, пере­формирование берегов. В связи с этим выделяют: аре-ал сильного влия­ния водохранилищ, который включает зоны постоян-ного затопления, переформирования бере­гов, заболачивания и сильного под-топления, ши­рина его от уреза воды при НПУ на крупных во­дохранилищах составляет 0,2-1 км, на средних и небольших - десятки метров; ареал умеренного и слабого влияния - он охватывает часть зоны водо­хранилища, зону систематического климатического влияния, ширина этого 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 осуществляются: инженерная защита территорий, на которых находятся важные объекты и ценные сельхозугодья (обвалование, дренаж, берегоукрепительные работы и др.); земельнохозяйственное устройство землепользователей в новых условиях; переселение жителей; перенос, переустройство, новое строительство или снос строений и сооружений и др.; свод леса, 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). Санитарные органы контролируют перенос населённых пунктов из зоны затопления и выбор места их будущего размещения. Основные мероприятия по санитарной охране в период эксплуатации водохранилищ включают контроль за размещением на побережье водохранилищ городов и промышленных объектов, регулированием спуска в водохранилище сточных вод, оборудованием плавающих по водохранилищу судов специальными устройствами для сбора сточных вод и нечистот с последующим сбросом их в береговые канализационные устройства. В связи с возможным изменением эпидемиологической обстановки в зоне водохранилищ санитарные органы проводят профилактику малярии, туляремии и других заболеваний.

3.3 Мероприятия по охране и рациональному использованию водохранилищ /14/

В последние годы в нашей стра­не составлены схемы улучшения природно-технического состояния и благоустройства некото­рых крупных водохранилищ.

Для предотвращения возникновения региональ­ных водных кризисов следует планировать разме­щение водоемких производств в обеспеченных во­дными ресурсами районах. При планировании водохозяйственных мероприятий, помимо естествен­ной водообеспеченности, следует учитывать нега­тивные последствия для водных ресурсов тех или иных видов их хозяйственного освоения. Без их учета дефицит водных ресурсов может возникнуть даже в районах с запасами воды, превышающими потребности в ней, например, в результате минера­лизации воды и ее загрязнения.

Природоохранные мероприятия в связи со стро­ительством и эксплуатацией водохранилищ предусматривают охрану водных, земельных, биологических и рекреационных ресурсов. Работы по сохранению водных ресурсов на­правлены на их защиту от истощения и загрязне­ния. К числу мероприятий по охране вод от исто­щения относятся:

1 Разнообразные водосберегающие мероприя­тия на территории водосборного бассейна — сни­жение водопотребления промышленностью и сель­ским хозяйством за счет применения безводных и маловодных технологий, внедрения оборотного водо­снабжения, региональных систем орошения, умень­шения потерь из оросительных систем, посадки ле­сополос.

2 Выбор оптимального режима уровней воды в водохранилищах, позволяющий сокращать площадь водного зеркала, преимущественно на прогреваемых мелководных участках.

3 Обвалование мелководных зон.

4 Предотвращение повышенной фильтрации воды из водохранилища в борта и плотину.

5 Применение наиболее рациональных схем наполнения и обработки водохранилищ.

Основные меры по предотвращению загрязнения водохранилищ сводятся к следующему:

1 Уменьшение и прекращение сброса промышленных, хозяйственно-бытовых и агротехнических стоков в речные системы. Например, на Днепровских водохранилищах для снижения массы сине-зеленых водорослей необходимо уменьшить в 3-4 раза существующие в воде концентрации фосфора и довести содержание раство­ренного фосфора до 0,01-0,02 мг/л, а общего ми­нерального - до 0,05 мг/л.

2 Проведение очистки водохранилищ от сине-зеленых водорослей в местах их интенсивного на­гона и удаление высшей водной растительности.

3 Для снижения поступления в воду элементов из донных отложений и исключения вторичного загрязнения необходимо постоянно поддерживать кислородную обстановку в придонных горизонтах путем искусственной аэрации и перемешивания вод.

4 Создание комплексных водоохранных зон с ограниченным использованием земельных, лесных, минеральных рекреационных ресурсов, проведение противоэрозионных лесозащитных мероприятий.

5 Упорядочение рекреационных мероприятий, строгий санитарный надзор в местах массового отдыха.

Охрана земельных ресурсов предусматривает укрепление размываемых берегов, рекультивацию образующихся отмелей, мелиорацию подтопленных прибрежных земель. В связи с тем, что в настоя­щее время теоретические основы формирования и развития искусственных водоемов, как экосистемы в целом, не разработаны, перечисленные меропри­ятия нельзя считать достаточно полными, обеспечи­вающими их охрану и рациональное использование. Большие возможности в комплексном использовании и сохранении водохранилищ дает применение ме­тодов акватерриториального и ландшафтно-геохимического районирования. В результате районирования в водохранили­щах выделяются однородные по природным и ге­охимическим условиям участки, характеризующи­еся определенными условиями формирования взаимосвязи между отдельными компонентами, про­исходящими в них процессами и изменениями, за­кономерностями распределения и миграции хими­ческих элементов.