Регулирование речного стока водохранилищами

В естественном состоянии сток воды большинства рек является чрезвычайно изменчивым в зависимости от многих факторов, в первую очередь, от характера питания. При этом во время половодий (обычно весной) на реках наблюдается большое увеличение расхода воды, повышение уровней и значительное увеличение глубин. В периоды низкого стояния уровней (обычно летом) наблюдаются небольшие расходы воды, уменьшаются глубины особенно на мелких местах (перекатах), что существенно ограничивает пропускную способность внутренних водных путей.

На некоторых реках максимальный расход воды в десятки и сотни раз больше минимального расхода воды. Примером исключительной неравномерности стока воды является р. Зея – крупный левобережный приток р. Амура. Так, максимальный расход воды в этой реке составляет 14200 м³/с, а минимальный – всего 1.6 м³/с, т.е. расход воды изменяется в течение года почти в 9 тысяч раз.

Регулирование стока рек призвано изменить во времени естественный режим речного стока, уменьшить колебание расхода воды в реке, сделать водные пути более глубоководными на протяжении всего навигационного периода и существенно улучшить использование водных ресурсов.

Перераспределение стока воды во времени осуществляется путем преграждения течения реки плотиной и создания регулирующего водохранилища. На территории Российской Федерации уже создано много водохранилищ, особенно в европейской части, которые существенно изменили режим рек и судоходные условия на них. В результате на р. Волге и р. Каме создана единая глубоководная магистраль с большими габаритами водного пути и построено много важных промышленных объектов.

В последние десятилетия процесс создания новых водохранилищ переместился на реки Сибири и Дальнего Востока, где ведется крупное гидротехническое строительство, и создаются крупные энергоемкие промышленные объекты черной и цветной металлургии, угольной и нефтегазовой промышленности, автомобильные и железные дороги и др.

Водохранилища создаются с целью регулирования речного стока в соответствии с потребностями хозяйственной деятельности человека и повышения благосостояния населения страны.

В перераспределении стока воды во времени заинтересованы следующие отрасли хозяйства: энергетика, водный транспорт, сельское хозяйство, рыбное хозяйство и водоснабжение промышленных предприятий и населенных пунктов. Кроме того, при регулировании стока решается задача предотвращения наводнений, защиты сельскохозяйственных угодий и зданий.

Требования, предъявляемые к регулированию стока потребителями различны и, иногда, противоречивы. Например, наибольшие расходы воды из водохранилища для целей водного транспорта требуется летом, когда наблюдается минимальный естественный сток воды в реках, а для энергетики наибольшие расходы воды нужны в осенне-зимний период, когда существенно увеличивается потребность в электрической энергии для работы промышленных предприятий и освещения городов и населенных пунктов. Кроме того, интересы энергетики требуют неравномерного расходования воды из водохранилища в течение суток и по дням недели из-за неравномерного потребления энергии промышленными предприятиями и населенными пунктами, а для водного транспорта желательно иметь постоянные расходы воды и глубины, чтобы не было затруднений для движения судов.

Поэтому при проектировании крупных водохранилищ требуется комплексный подход с учетом требований всех заинтересованных отраслей для получения наибольшего экономического эффекта при обязательном учете экологических вопросов.

Регулирование стока воды представляет собой циклический процесс, при этом фазы наполнения водохранилища чередуются с фазами его опорожнения (расходования воды). В зависимости от продолжительности цикла различают следующие виды регулирования стока:  многолетнее,  годичное, недельное и суточное.

Многолетнее регулирование предусматривает выравнивание стока воды в реке на протяжении нескольких лет. При этом в многоводные годы водохранилище наполняется до расчетной отметки, а в маловодные годы из водохранилища расходуются созданные запасы воды. Полное опорожнение полезного объема воды водохранилища производятся только в конце маловодного периода, который характеризуется небольшим естественным стоком воды в реке.

Таким образом, многолетнее регулирование выравнивает не только внутригодовые, но и многолетние колебания стока воды. Такой вид регулирования стока способствует стабильности и увеличению габаритов водного пути. Для осуществления многолетнего регулирования стока создаются крупные водохранилища с большим полезным объемом воды. К таким водохранилищам многолетнего регулирования стока на территории Российской Федерации относятся: Верхне-Свирское (р. Свирь), Рыбинское (р. Волга), Цимлянское (р. Дон), Бухтарминское (р. Иртыш), Иркутское и Братское (р. Ангара), Красноярское (р. Енисей), Зейское (р. Зея).

Годичное регулирование обеспечивает выравнивание стока только в пределах одного года. При этом водохранилище наполняется водой в период половодья, а в течение остального длительного периода, когда естественный сток воды уменьшается, происходит расходование воды из водохранилища. Полное опорожнение полезного объема воды водохранилища годичного регулирования производится к началу следующего половодья.

Годичное регулирование стока также улучшает условия судоходства, как и при многолетнем регулировании, но с меньшей обеспеченностью габаритов водного пути. Для обеспечения такого регулирования стока требуется создание меньших по объему водохранилищ по сравнению с водохранилищами многолетнего регулирования.

Необходимость суточного и недельного регулирования стока вызвана неравномерностью потребления электрической энергии промышленными предприятиями и населенными пунктами в течение суток и недели. Наибольшее потребление энергии обычно происходит в дневные часы, когда работают промышленные предприятия и, особенно, в вечерние часы, когда на предприятиях работают вторые смены, и включается осветительная сеть населенных пунктов. Наименьшее потребление электрической энергии наблюдается ночью, т.к. в это время большинство предприятий не работает и отключается освещение населенных пунктов. Поэтому для обеспечения такой неравномерной потребности в энергии работает соответствующее количество гидравлических турбин гидроэлектростанции, а, следовательно, происходит неравномерное расходование воды из водохранилища.

Недельное регулирование стока обусловлено неравномерностью потребления электрической энергии в течение недели. Именно в субботу и воскресенье, когда многие предприятия не работают, потребность в энергии существенно меньше, чем в рабочие дни недели. Поэтому расходование воды из водохранилища в выходные дни существенно снижается. При суточном и недельном регулировании стока в результате частых изменений расходов происходят колебания уровней воды и глубин на участке реки ниже плотины на расстоянии нескольких километров.

Таким образом, суточное и недельное регулирование стока является характерной особенностью энергетического использования стока и отличается от остальных видов регулирования стока. В этом случае происходит не выравнивание стока, а, наоборот, повышение неравномерности его распределения во времени. Такое регулирование стока создает затруднения для судоходства, а именно при снижении уровней уменьшаются глубины, усложняется устройство и оборудование причалов, нарушается график движения судов. Для осуществления суточного и недельного регулирования стока требуются сравнительно небольшие объемы воды. Поэтому дополнительного увеличения емкости водохранилища обычно не требуется.