Влияние на речной сток хозяйственной деятельности, связанной с непосредственным использованием речных вод

Промышленное и коммунальное водопотребление. Этот вид водопотребления постоянно увеличивается. Источником воды для нужд промышленности, тепловой энергетики и коммунального хозяйства служат как реки, так и подземные воды. В результате значительного увеличения водозабора из этих источников речной сток сокращается, а истощение вековых запасов подземных вод часто сопровождается понижением их уровня и образованием депрессионных воронок. Это нередко также способствует уменьшению речного стока, идущего на пополнение запасов подземных вод.

В целом водопотребление на промышленные и коммунальные нужды слабо влияет на количественные характеристики речного стока, но часто существенно ухудшает качество вод.

Орошение. Этот вид водопотребления приводит к наибольшим безвозвратным потерям воды (см. Введение). Главным источником вод для орошения и обводнения служат реки. Водозабор из рек на орошение может быть самотечным, плотинным, машинным (с применением насосов). Поступающие на поля речные воды идут частично на продуктивное испарение (используются сельскохозяйственными культурами), частично — на непродуктивное испарение с поверхности водохранилищ, каналов, подтопленных земель и т. д. и инфильтрацию, частично возвращаются в реки через коллекторно-дренажную сеть в виде возвратных вод. Возвратные воды нередко имеют повышенную минерализацию, содержат вымытые из почвы соли и растворенные химикаты (удобрения, пестициды, гербициды) и непригодны для повторного использования.

Избыточная подача воды на орошение (явление, к сожалению, нередкое) ведет не только к нерациональному использованию вод, их потере, но и может вызвать повышение уровня грунтовых вод, заболачивание и засоление земель.

В результате забора речных вод на орошение и сброса в эти же реки возвратных вод годовой сток рек уменьшается, но внутригодовое распределение стока несколько выравнивается.

Сооружение водохранилищ и регулирование стока. Сооружение водохранилищ оказывает на речной сток сильное и разнообразное явление (см. гл. 8). Большое влияние водохранилища оказывают, прежде всего, на распределение стока во времени. В большинстве случаев перераспределение стока во времени — регулирование стока— и бывает главной целью сооружения водохранилища. Регулирование стока преследует различные практические цели. Это и обеспечение более равномерным стоком гидроэнергетических установок гидроэлектростанций (ГЭС), и предотвращение наводнений, и накопление воды для целей орошения, и улучшение судоходных условий и т.д.

В зависимости от степени воздействия водохранилища на внутригодовое распределение стока различают несколько видов регулирования стока (рис. 6.29). Наиболее частый случай — сезонное регулирование стока, когда перераспределение стока осуществляется в течение года: воды половодья и паводков аккумулируются в водохранилище, а в межень — сбрасываются в нижний бьеф гидроузла (рис. 6.29, б). Полезный объем водохранилища в этом случае должен быть соизмерим с объемом стока реки за период половодья (паводков). В результате сток в течение года ниже водохранилища делается более равномерным.

При большом полезном объеме водохранилища возможно многолетнее регулирование стока, когда создаются условия для накопления в водохранилище воды в многоводные годы, с тем чтобы получить возможность использовать эту воду в маловодные годы (рис. 6.29, а). Если полезный объем водохранилища мал в сравнении со стоком реки, то возможно лишь недельное или даже суточное регулирование стока (рис. 6.29, в). Заметим, что в отличие от сезонного и многолетнего регулирования недельное и суточное регулирование не выравнивает колебания стока во времени, а наоборот, делает их более неравномерными. Цель такого перераспределения расходов воды в течение суток или недели — гидроэнергетическая, заключающаяся в покрытии пиковых нагрузок энергетических систем, в частности, в утренние и особенно вечерние часы.

Режим сброса воды в нижний бьеф гидроузла полностью контролируется человеком (в пределах, обусловленных полезным объемом водохранилища). При необходимости такой сброс увеличивают, возникает искусственный паводок, называемый попуском. Такой попуск может иметь в зависимости от потребности различный объем и продолжительность. Так, на Нижней Волге для обеспечения близких к естественным условиям нереста рыб и заливания лугов практикуется так называемый «рыбохозяйственный попуск» в нижний бьеф Волгоградского гидроузла. Длительность такого попуска достигает месяца и более. На реках Москве (в отдельные годы) и Томи попуски носят санитарный характер и длятся по несколько дней. На многих ГЭС с суточным типом регулирования кратковременные попуски имеют длительность всего по несколько часов.

Сооружение водохранилищ приводит также к сокращению годового стока рек. Во-первых, на наполнение водохранилищ после их сооружения единовременно изымаются некоторые объемы речных вод. Во-вторых, поскольку с водной поверхности всегда испаряется больше воды, чем с суши, сооружение водохранилищ приводит к увеличению потерь воды на испарение и сокращению стока. Степень уменьшения стока рек вследствие потерь воды на испарение с поверхности водохранилищ зависит от климатических условий и составляет, по А.А. Соколову, 0,8—1% на севере Европейской части России, 1—3% в Сибири, 10—30% на юге Европейской части России и достигает 70—80% в Средней Азии. Существенно сокращают водохранилища и сток речных наносов, о чем говорилось в разд. 6.10.

Сооружение водохранилищ ведет к повышению уровней воды в самом водохранилище и в зоне переменного подпора выше водохранилища (см. разд. 6.11.5 и гл. 7). В нижнем бьефе водохранилища, в зоне размыва (см. рис. 6.21) уровни воды понижаются (это явление иногда называют «посадкой» уровня). Такое понижение уровня часто оказывает негативное влияние на хозяйственные объекты и населенные пункты, расположенные вдоль нижнего бьефа гидроузла.

Влияние на режим реки местных гидротехнических мероприятий. Местные гидротехнические мероприятия (мостовые переходы, полузапруды, обвалование берегов, углубление фарватера и др.) практически не влияют на сток реки, но обычно оказывают сильное воздействие на водный режим реки (скорость течения, уровень воды) в районе проведения гидротехнических работ. Выше мостов и полузапруд создается зона местного подпора, и уровни воды повышаются; в местах искусственного сужения русла скорости воды увеличиваются, что может привести к размыву дна и требует принятия защитных мер. Обвалование русла исключает из активного водообмена часть поймы, что в половодье должно привести к сосредоточению стока воды в необвалованной части русла, некоторому повышению уровней воды и увеличению скоростей течения. Сооружение прорези на перекате для улучшения судоходных условий приводит к понижению («посадке») уровней воды на вышележащем участке русла. К таким же последствиям ведет и искусственное спрямление излучин.

Территориальное перераспределение стока («переброска стока»). Оно преследует цель привлечения воды в данную речную систему из других речных бассейнов. В настоящее время, по оценкам И.А Шикломанова, суммарный объем «перебросок стока» в мире составляет 400 км³/год, в том числе в Канаде — 140, в России и других странах СНГ — 60, в Индии — 50, в США — 30 км³/год. В настоящее время в Китае ведутся работы по осуществлению переброски вод р. Янцзы объемом от 25 до 70 км³/год на север, в бассейны рек Хуанхэ и Хуайхэ.

К наиболее крупным действующим мировым системам территориального перераспределения («переброски») стока относятся системы: «Джеймс-Бей» в Канаде, перебрасывающая 25,2 км³ воды в год из р. Истмейн в р. Ла-Гранд, «Черчилл» — также в Канаде, перебрасывающая 24,0 км³ воды в год из р. Черчилл в р. Нельсон, «Центральная долина» — в США, по которой 7,5 км³ воды из р. Сакраменто ежегодно перебрасывается в засушливые районы юга Калифорнии. Потребители воды в первых двух упомянутых случаях — гидроэнергетика, в третьем — водоснабжение и орошение. Наиболее крупные системы территориального перераспределения стока в бывшем СССР — это каналы Северо-Крымский (перебрасывается 3,8 км³ воды в год), Днепр — Донбасс (3,6 км³/год), Каракумский (11 км³/год), Большой Ферганский (5,3 км³/год), Амубухарский (5,8 км³/год). Основное назначение этих систем — орошение земель. Территориальное перераспределение водных ресурсов приводит к увеличению стока в реке, куда перебрасывается вода, и к уменьшению в реке, откуда осуществляется переброска стока (в «реке-доноре»). Поскольку любое крупное перераспределение стока сопряжено с сооружением каналов, водохранилищ и других гидротехнических систем, неизбежны потери речного стока на испарение и инфильтрацию.

В 1970—1980 гг. в СССР разрабатывались три крупномасштабных проекта территориального перераспределения стока: «переброска» части стока северных рек в бассейн Волги, «переброска» части стока р. Оби в Среднюю Азию и Казахстан, сооружение водохозяйственного комплекса «Дунай — Днепр».

Основная цель первого из упомянутых проектов («европейской переброски») состояла в увеличении стока Волги, что позволило бы расширить хозяйственное использование ее вод, а также остановить прогрессирующее в те годы понижение уровня Каспийского моря, что грозило потерей этим водоемом своего рыбохозяйственного потенциала. Разными вариантами проекта предусматривалась «переброска» вод, например, из Онежского озера (3,5 км³/год на I очереди), оз. Лача и Воже (1,8 км³/год), рек Онеги (5,9 км³/год), Сухоны (4,0 км³/год), Вычегды (5,0 км³/год) через оз. Кубинское в Рыбинское водохранилище и далее в Волгу, а также вод р. Печоры в верховья главного притока Волги — Камы (9,8 км³/год на I очереди).

На I очереди второго проекта («азиатской переброски») предполагалось забирать из р. Оби в районе устья Иртыша (с. Белогорье) 25 км³ воды в год. Эта вода должна была с помощью системы низконапорных плотин и насосных станций подаваться вверх по Иртышу (в режиме «антиреки») и накапливаться в районе г. Тобольска в Тобольском водохранилище. Отсюда также с помощью системы насосных станций вода должна была поступать по Главному каналу переброски (ГКП), проложенному сначала вдоль р. Тобола, а затем через Тургайское понижение вплоть до р. Амударьи, где предполагалось построить Тегизское водохранилище, которое должно было перераспределять воду по оросительным системам. Главный канал переброски должен был иметь длину около 2300 км, ширину 200—300 м, глубину 12 м. Рассматриваемая водохозяйственная система должна была решить проблему нехватки воды в Средней Азии и Казахстане, орошения обширных площадей земель, снабжения населения питьевой водой хорошего качества. Подавать перебрасываемую воду в мелеющее Аральское море не предполагалось — это спасти водоем уже не могло (см. гл. 7).

Из-за неполной ясности в ожидаемых экологических последствиях в «реках-донорах» и прибрежных водах арктических морей, а также экономических и финансовых проблем исследовательские и проектные работы по этим проектам в 1986 г. были прекращены.

В настоящее время рассматривать вновь вопросы «европейской переброски», видимо, не актуально, хотя бы потому, что по климатическим причинам сток Волги заметно возрос, а уровень Каспийского моря не только прекратил снижаться, но, и поднялся за 1978— 1995 гг. на 2,3 м (см. гл. 7). А необходимость в привлечении воды сибирских рек для ныне независимых государств — бывших республик Советского Союза (Казахстана, Узбекистана, Туркменистана) — не отпала. Серьезный недостаток пресной воды сдерживает развитие экономики этих стран, от отсутствия вод хорошего качества страдает население этого региона. Весьма вероятно, что в связи с общим потеплением климата (см. разд. 3.2) дефицит водных ресурсов в Средней Азии в XXI в. еще более увеличится. Если возможности и перспективы переброски части стока Оби и ее притоков будут всерьез рассматриваться, то потребуется решить сложнейшие социально-экономические, технические и экологические проблемы. В частности, необходимо будет оценить, в какой степени возможное изъятие части стока Оби повлияет на гидролого-экологические условия низовьев этой реки и Обской губы Карского моря.

И наконец, целью третьего проекта — комплекса «Дунай — Днепр» — была переброска значительного объема дунайской воды (до 17 км³/год) по системе каналов для опреснения Днестровского и Днепровско-Бугского лиманов и орошения земель на юге Украины. Разработки по этому проекту были прекращены в 1988 г. из-за опасения, что перекрытие лиманов и превращение их в пресноводные водохранилища может привести к ухудшению экологической обстановки (приведет к цветению и загрязнению воды, ухудшению ее качества и евтрофированию водоемов). Кроме того, при большом объеме изъятия стока Дуная неизбежно ухудшались гидролого-экологические условия в дельте этой реки.