Введение

Хранилище для воды – искусственный водоем или естественное озеро, а также другие типы водоемов, созданных человеком. Резервуар (англ. reservoir) – это расширенное озеро за плотиной, обычно построенное для хранения пресной воды, часто используемое и для производства гидроэлектроэнергии. Резервуары создаются путем регулирования русла реки, питающего существующий водоем, перекрытия русла для образования залива, выемки грунта или возведения удерживающих стен или дамб для ограждения территории, предназначенной для хранения воды. Этот термин также используется в техническом контексте для обозначения определенных видов хранения жидкостей, например, "резервуар для охлаждающей жидкости", который собирает излишки охлаждающей жидкости в системе охлаждения автомобиля.

Запруженные долины

Запруженные водохранилища – это искусственные озера, созданные и контролируемые плотиной, построенной поперек долины, и использующие естественный рельеф для формирования большей части акватории водохранилища. Эти водохранилища могут быть речными, расположенными на прежнем русле реки ниже по течению и наполняемыми ручьями, реками или дождевой водой, стекающей с окружающих лесных водосборных площадей, или внеречными, получающими воду по водоводам из близлежащих рек или акведуков, либо по трубопроводам из других речных водохранилищ. Плотины обычно строятся в узких участках долины ниже по течению от естественной котловины. Склоны долины служат естественными стенами, а плотина располагается в наиболее узком практичном месте для обеспечения прочности и минимальной стоимости строительства. При строительстве многих водохранилищ требуется переселение людей и их новое размещение, перемещение исторических артефактов или переселение редких экосистем. Примеры включают храмы Абу-Симбеля (которые были перенесены перед строительством Асуанской плотины для создания озера Насер на реке Нил в Египте), переселение деревни Капель-Селин при строительстве водохранилища Ллин-Селин и переселение Борго-Сан-Пьетро из Петрелла-Сальто при строительстве озера Салто. Строительство запруженной плотиной водохранилища обычно требует временного перенаправления реки во время строительства, часто через временный туннель или обходной канал. В гористой местности водохранилища часто создаются путем расширения существующих озер. Иногда в таких водохранилищах новый верхний уровень воды превышает высоту водораздела на одном или нескольких притоках, как, например, в водохранилище Ллин-Клайведог в центральном Уэльсе. В таких случаях для удержания воды требуются дополнительные боковые плотины. Если рельеф местности не подходит для создания одного большого водохранилища, может быть построено несколько небольших водохранилищ цепочкой, как в долине реки Тафф, где водохранилища Ллвинон, Кантреф и Биконс образуют цепочку вверх по долине.

Прибрежные

Прибрежные водохранилища — это пресноводные резервуары, расположенные на морском побережье вблизи устья реки для накопления паводковых вод. В отличие от строительства наземных водохранилищ, требующего затопления значительных территорий, прибрежные водохранилища экономически и технически более выгодны, поскольку не занимают дефицитные земельные участки. Многие прибрежные водохранилища были построены в Азии и Европе. Примеры таких водохранилищ включают Саэмангум в Южной Корее, Марина Барраж в Сингапуре, Цинкаоша в Китае и Пловер-Коув в Гонконге.

На банковской стороне

Если вода из реки переменного качества или размера откачивается или забирается самотеком, для хранения воды могут быть построены прибрежные резервуары. Такие резервуары обычно формируются частично путем выемки грунта, а частично – путем возведения сплошной ограждающей дамбы или насыпи, которая может превышать 6 км (4 мили) в окружности. И дно резервуара, и дамба должны иметь водонепроницаемую облицовку или ядро: изначально их часто делали из утоптанной глины, но сейчас это, как правило, заменено использованием укатанной глины. Вода, хранящаяся в таких резервуарах, может оставаться там несколько месяцев, в течение которых естественные биологические процессы могут значительно снизить содержание многих загрязнителей и уменьшить мутность. Использование прибрежных резервуаров также позволяет приостановить водозабор на некоторое время, например, когда река неприемлемо загрязнена или когда расход воды очень низок из-за засухи. Система водоснабжения Лондона демонстрирует пример использования прибрежного хранения: здесь вода забирается из рек Темзы и Ли в несколько крупных резервуаров, расположенных вдоль Темзы, таких как резервуар королевы Марии, который можно увидеть по пути к аэропорту Хитроу. Многие сервисные резервуары строятся в виде водонапорных башен, часто в виде возвышающихся сооружений на бетонных опорах, где рельеф относительно ровный. Другие сервисные резервуары могут представлять собой накопительные бассейны, резервуары для воды или иногда полностью подземные цистерны, особенно в более холмистой или горной местности. В современных резервуарах часто используются геомембранные покрытия на дне для ограничения фильтрации и/или в качестве плавучих крышек для ограничения испарения, особенно в засушливом климате. В Соединенном Королевстве компания Thames Water имеет множество подземных резервуаров, построенных в 1800-х годах, большинство из которых облицованы кирпичом. Хорошим примером является резервуар Honor Oak в Лондоне, построенный между 1901 и 1909 годами. После завершения строительства его называли самым большим в мире подземным резервуаром, построенным из кирпича, и он до сих пор является одним из крупнейших в Европе. Этот резервуар теперь является частью южного расширения кольцевой магистрали Thames Water. Верхняя часть резервуара засыпана травой и теперь используется гольф-клубом Aquarius. Сервисные резервуары выполняют несколько функций, включая обеспечение достаточного напора воды в системе водораспределения и обеспечение запаса воды для сглаживания пикового потребления потребителями, что позволяет очистным сооружениям работать с оптимальной эффективностью. Большие сервисные резервуары также могут управляться для снижения затрат на перекачку путем пополнения резервуара в то время суток, когда стоимость энергии низкая.

История

Около 3000 г. до н.э. кратеры потухших вулканов в Аравии использовались фермерами в качестве резервуаров для воды для орошения. Сухой климат и нехватка воды в Индии привели к раннему развитию ступенчатых колодцев и других методов управления водными ресурсами, включая строительство водохранилища в Гирнаре в 3000 г. до н.э. Искусственные озера, датируемые V веком до н.э., были обнаружены в Древней Греции. Искусственное озеро Бходжагар в современном штате Мадхья-Прадеш в Индии, построенное в XI веке, покрывало [определённую площадь - подразумевается из контекста, но не указано в оригинале]. Хафиры накапливают воду в сезон дождей, чтобы обеспечить её доступность в течение нескольких месяцев в сухой сезон для обеспечения питьевой водой, орошения полей и поения скота. Обширные искусственные водохранилища также строились различными древними царствами в Бенгалии, Ассаме и Камбодже.

Прямые водоснабжения

Многие водохранилища на плотинах и большинство прибрежных водохранилищ используются для подачи исходной воды на водоочистные сооружения, которые обеспечивают питьевой водой через водопроводную сеть. Водохранилище выполняет не только функцию хранения воды до момента ее использования, но и может являться первой ступенью процесса водоподготовки. Время, в течение которого вода удерживается в водохранилище перед выпуском, называется временем пребывания. Это конструктивная особенность, позволяющая взвешенным частицам и илу оседать, а также обеспечивающая время для естественной биологической очистки с помощью водорослей, бактерий и зоопланктона, обитающих в воде. Однако естественные лимнологические процессы в озерах умеренного климата приводят к температурной стратификации воды, в результате чего некоторые элементы, такие как марганец и фосфор, концентрируются в глубоких, холодных бескислородных слоях в летние месяцы. Осенью и зимой озеро вновь полностью перемешивается. В условиях засухи иногда возникает необходимость забора холодной воды из придонных слоев, и повышенное содержание марганца может создавать проблемы на водоочистных сооружениях.

Гидроэлектроэнергия

В 2005 году около 25% из 33 105 крупных плотин в мире (высотой более 15 метров) использовались для производства гидроэлектроэнергии. В США 3% электроэнергии производится на 80 000 плотин всех размеров. Ведется инициатива по модернизации существующих плотин для обеспечения надежным источником энергии многих небольших населенных пунктов, что является эффективным использованием существующей инфраструктуры. Гидроэлектростанция включает в себя турбины, соединенные с водохранилищем трубопроводами большого диаметра. Генераторные установки могут располагаться у основания плотины или на некотором расстоянии от нее. В плоской речной долине резервуар должен быть достаточно глубоким, чтобы создать необходимый напор воды для турбин, а в периоды засухи он должен содержать достаточный запас воды для выравнивания среднегодового стока реки. Для рек с постоянным потоком в крутых долинах резервуар не требуется. Некоторые гидроэлектростанции используют систему с накачкой: водохранилище верхнего уровня заполняется водой с помощью мощных электрических насосов в периоды низкого спроса на электроэнергию, а затем эта накопленная вода используется для выработки электроэнергии путем выпуска в водохранилище нижнего уровня при высоком спросе. Такие системы называются гидроаккумулирующими электростанциями.

Балансирование потоков

Резервуары могут использоваться для балансировки стока в сильно регулируемых системах, накапливая воду во время половодья и выпуская ее при низких уровнях. Для обеспечения такой работы без насосов требуется тщательный контроль уровня воды с помощью водосбросных сооружений. Когда приближается сильный шторм, операторы плотины рассчитывают объем воды, который шторм добавит в резервуар. Если прогнозируемый объем дождевой воды может привести к переполнению резервуара, вода постепенно сбрасывается из резервуара до и во время шторма. При достаточном времени на подготовку, сильный шторм не заполнит резервуар, и прибрежные районы не столкнутся с опасными потоками. Точные прогнозы погоды необходимы для того, чтобы операторы плотин могли правильно планировать сброс воды перед периодом интенсивных осадков. Операторы плотин возложили вину за наводнения в Квинсленде в 2010–2011 годах на неверный прогноз погоды. Примерами сильно регулируемых водохранилищ являются плотина Буррендонг в Австралии и озеро Бала (Ллин Тегид) в Северном Уэльсе. Озеро Бала – это естественное озеро, уровень которого был повышен с помощью низкой плотины, и в которое река Ди впадает или вытекает в зависимости от условий течения, являясь частью системы регулирования реки Ди. Этот режим работы представляет собой форму гидравлической емкости в речной системе.

Отдых

Многие водохранилища часто допускают различные виды рекреационного использования, такие как рыбалка и катание на лодках. Для обеспечения безопасности населения и защиты качества воды и экологии прилегающей территории могут действовать специальные правила. Многие водохранилища в настоящее время поддерживают и поощряют менее формальные и структурированные виды отдыха, такие как изучение природы, наблюдение за птицами, рисование пейзажей, пешие и туристические прогулки, и часто предоставляют информационные стенды и познавательные материалы для стимулирования ответственного использования.

Операция

Вода, выпадающая в виде дождя выше по течению от водохранилища, вместе с любыми грунтовыми водами, выходящими на поверхность в виде родников, накапливается в водохранилище. Избыток воды может сбрасываться через специально спроектированный водосброс. Накопленная вода может подаваться по трубопроводу самотеком для использования в качестве питьевой воды, для выработки гидроэлектроэнергии или для поддержания речного стока для нужд ниже по течению. Иногда водохранилища управляются таким образом, чтобы задерживать воду во время сильных дождей, чтобы предотвратить или уменьшить наводнения ниже по течению. Некоторые водохранилища используются для нескольких целей, и правила их эксплуатации могут быть сложными. Большинство современных водохранилищ оснащены специально спроектированной водозаборной башней, которая позволяет отбирать воду из водохранилища на разных уровнях, как для доступа к воде при понижении уровня, так и для сброса воды определенного качества в реку ниже по течению в качестве "компенсационного стока": операторы многих горных или речных водохранилищ обязаны осуществлять сброс воды в реку ниже по течению для поддержания качества воды, обеспечения рыбного хозяйства, поддержания промышленного и рекреационного использования ниже по течению или для других целей. Такие сбросы называются компенсационным стоком.

Терминология

Единицы измерения площадей и объемов водохранилищ различаются в разных странах. В большинстве стран мира площадь водохранилищ выражается в квадратных километрах, в то время как в Соединенных Штатах обычно используются акры. Для измерения объема широко применяются кубические метры или кубические километры, а в США – акрофуты. Вместимость, объем или полезный объем водохранилища обычно разделяют на отдельные зоны. Неполезный или мертвый объем – это вода в водохранилище, которую нельзя слить самотеком через выпускные отверстия плотины, водосброс или водозабор электростанции, и которую можно откачать только насосами. Неполезный объем позволяет отлагаться осадкам, что улучшает качество воды и создает местообитание для рыбы при низких уровнях. Полезный или активный объем – это часть водохранилища, которая может использоваться для борьбы с паводками, производства электроэнергии, судоходства и сброса воды вниз по течению. Кроме того, "емкость для регулирования паводков" водохранилища – это объем воды, который оно может регулировать во время паводка. "Предельный объем" – это объем водохранилища выше уровня водосброса, который не подлежит регулированию. В Соединенных Штатах вода ниже нормального максимального уровня водохранилища называется "бассейном регулирования". В Соединенном Королевстве "максимальный уровень воды" описывает полное состояние водохранилища, а "минимальный удерживаемый объем" – минимальный объем воды, который в нем сохраняется.

Моделирование управления резервуарами

Существует широкий спектр программного обеспечения для моделирования водохранилищ, от специализированных инструментов управления программами безопасности плотин (DSPMT) до относительно простых, таких как WAFLEX, и до комплексных моделей, например, системы оценки и планирования водных ресурсов (WEAP), которая рассматривает работу водохранилища в контексте общесистемных потребностей и водообеспечения.

Безопасность

Во многих странах крупные водохранилища строго регулируются, чтобы предотвратить или минимизировать разрушение плотин и других удерживающих сооружений. Хотя основное внимание уделяется плотине и связанным с ней конструкциям как наиболее уязвимой части всей системы, цель этих мер контроля – предотвратить неконтролируемый сброс воды из водохранилища. Разрушение водохранилища может привести к резкому увеличению расхода воды в долине реки, способному смыть города и деревни и вызвать значительные человеческие жертвы, как, например, в случае с катастрофой на водохранилище Ллин Эйгью, где погибло 17 человек (см. также Список аварий на плотинах).

Ярким примером использования водохранилищ в качестве инструмента войны является рейд британских ВВС "Dambusters" на Германию во время Второй мировой войны (под кодовым названием "Операция Chastise"), в ходе которого было выбрано три немецкие плотины для разрушения с целью нанесения ущерба немецкой инфраструктуре, производственным мощностям и энергетическим ресурсам, зависящим от рек Рур и Эдер. Экономические и социальные последствия были вызваны огромными объемами ранее накопленной воды, которая хлынула вниз по долинам, вызывая разрушения. Этот рейд впоследствии лег в основу нескольких фильмов.

Влияние на окружающую среду на протяжении всей жизни

Перед началом строительства каждого водохранилища будет проводиться экономическая оценка затрат и выгод, чтобы определить целесообразность реализации проекта. Однако подобные анализы часто упускают из виду воздействие плотин и создаваемых ими водохранилищ на окружающую среду. Некоторые последствия, такие как выбросы парниковых газов, связанные с производством бетона, относительно легко оценить. Другие воздействия на природную среду, а также социальные и культурные эффекты, могут быть более сложными в оценке и учете, но выявление и количественная оценка этих аспектов в настоящее время обычно требуются при реализации крупных строительных проектов в развитых странах.

Гидроэлектроэнергия и изменение климата

В зависимости от соотношения площади затопления и выработанной мощности, водохранилище, созданное для производства гидроэлектроэнергии, может как уменьшить, так и увеличить чистый объем выбросов парниковых газов по сравнению с другими источниками энергии. Исследование, проведенное Национальным институтом исследований Амазонии, показало, что гидроэлектростанции выделяют значительный объем углекислого газа в результате разложения деревьев, оставшихся стоять в водохранилищах, особенно в течение первого десятилетия после затопления. Это увеличивает вклад плотин в глобальное потепление до уровня, значительно превышающего тот, который был бы при производстве того же объема энергии из ископаемого топлива. Например, в 1990 году затопление водохранилища плотины Балбина в Бразилии (введенной в эксплуатацию в 1987 году) оказало более чем в 20 раз большее влияние на глобальное потепление, чем производство аналогичного объема энергии из ископаемого топлива, из-за большой площади затопления на единицу произведенной электроэнергии. Плотина Тукуруи в Бразилии (завершена в 1984 году) оказала лишь в 0,4 раза большее влияние на глобальное потепление, чем производство того же объема энергии из ископаемого топлива. Гидроэнергетика обычно производит в 35–70 раз меньше парниковых газов на 1 ТВт·ч электроэнергии, чем тепловые электростанции. Снижение загрязнения воздуха происходит при использовании плотины вместо тепловой генерации, поскольку производство электроэнергии на гидроэлектростанциях не приводит к выбросам дымовых газов от сжигания ископаемого топлива (включая диоксид серы, оксиды азота и угарный газ из угля).

Биология

Плотины могут создавать препятствия для мигрирующих рыб, задерживая их в определенном районе и обеспечивая пищу и среду обитания для различных водных птиц. Они также могут приводить к затоплению различных наземных экосистем и вызывать вымирание видов. Создание водохранилищ может изменять естественный биогеохимический цикл ртути. После первоначального формирования водохранилища наблюдается резкое увеличение производства токсичной метилртути (MeHg) в результате микробного метилирования в затопленных почвах и торфе. Уровни MeHg также повышаются у зоопланктона и в рыбе.

Влияние на человека

Плотины могут существенно уменьшить объем воды, достигающий стран, расположенных ниже по течению, вызывая дефицит воды между ними, например, между Суданом и Египтом. Это наносит ущерб сельскохозяйственным предприятиям в нижерасположенных странах и сокращает запасы питьевой воды. Фермы и деревни, например, Ашоптон, могут быть затоплены при создании водохранилищ, что приводит к потере средств к существованию для многих людей. Именно поэтому, по всему миру 80 миллионов человек (данные на 2009 год, из учебника географии Edexcel GCSE) были вынуждены к принудительному переселению из-за строительства плотин.

Лимнология

Лимнология водохранилищ во многом схожа с лимнологией озер аналогичного размера. Однако существуют значительные различия. Многие водохранилища подвержены существенным колебаниям уровня, что приводит к образованию значительных площадей, которые периодически затапливаются или пересыхают. Это существенно ограничивает продуктивность прибрежной зоны и сокращает число видов, способных выжить в таких условиях. Горные водохранилища, как правило, имеют гораздо меньшее время удержания воды, чем естественные озера, что может приводить к более быстрому круговороту питательных веществ в водной среде и, как следствие, к их более быстрой потере из системы. Это может проявляться как несоответствие между химическим составом воды и биологическими процессами, при котором биологический компонент склонен быть более олиготрофным, чем можно было бы ожидать, исходя из химического состава. И наоборот, низменные водохранилища, получающие воду из рек, богатых питательными веществами, могут демонстрировать выраженные эвтрофические характеристики, поскольку время удержания воды в водохранилище значительно больше, чем в реке, и биологические системы имеют больше возможностей для использования доступных питательных веществ. Глубокие водохранилища с водозаборными башнями различного уровня могут сбрасывать холодную воду из глубины в нижележащую реку, значительно уменьшая размер гиполимния. Это, в свою очередь, может снизить концентрацию фосфора, высвобождающегося во время ежегодного перемешивания, и, следовательно, снизить продуктивность. Плотины перед водохранилищами функционируют как участки изменения уклона, энергия падающей воды уменьшается, и в результате ниже плотин происходит аккумуляция отложений.

Сейсмичность

Наполнение водохранилищ часто связывают с сейсмичностью, вызванной водохранилищами (RTS), поскольку в прошлом сейсмические события происходили вблизи крупных плотин или в их водохранилищах. Эти события могли быть спровоцированы наполнением или эксплуатацией водохранилища и имеют небольшой масштаб по сравнению с общим количеством водохранилищ в мире. Из более чем 100 зарегистрированных событий, ранние примеры включают высокую плотину Марафон в Греции (1929) и высокую плотину Гувера в США (1935). Большинство событий связаны с крупными плотинами и незначительной сейсмической активностью. Лишь четыре зарегистрированных события превысили магнитуду 6.0 (Mw): высокая плотина Койна в Индии и плотина Кремаста в Греции, зарегистрировавшие 6.3 Mw, высокая плотина Кариба в Замбии с показателем 6.25 Mw и плотина Синьфэнцзян в Китае с 6.1 Mw. Возникали споры относительно того, когда происходила RTS, из-за недостатка гидрогеологических знаний на момент события. Тем не менее, признается, что инфильтрация воды в поры и вес водохранилища вносят вклад в закономерности RTS. Для возникновения RTS должна существовать сейсмическая структура вблизи плотины или ее водохранилища, и эта структура должна быть близка к критическому состоянию. Кроме того, вода должна проникать в глубокие слои горных пород, поскольку вес глубокого водохранилища оказывает незначительное влияние по сравнению с весом горных пород на напряженное поле земной коры, которое может находиться на глубине в несколько километров или более.

Климат

Резервуары могут изменять местный климат, повышая влажность и смягчая температурные колебания, особенно в засушливых районах. Некоторые винодельни Южной Австралии также заявляют, что эти эффекты улучшают качество виноделия.