science-review.ru
Среди различных видов антропогенного воздействия на природу видное место занимает создание водохранилищ, перераспределяющих речной сток во времени и пространстве. При этом существенное изменение претерпевают различные составляющие единого процесса стока: водный, тепловой, солевой, биологический и т.д. При зарегулировании стока изменяется, прежде всего, интенсивность и скорость обновления вод в реках и речных системах.
Интенсивность водообмена является важнейшей характеристикой экосистемы любого объекта, в том числе и искусственных водоемов, каковыми являются водохранилища. По мнению К.К. Эдельштейна [5] водообмен представляет собой сочетание многообразных динамических процессов, одновременно протекающих в водоеме под действием на воду различных внешних сил, ее вязкости и инерции.
В настоящее время принято деление водообмена на внешний и внутренний. Внешний водообмен определяется компонентами водного баланса и под ним понимается замена вод, находящихся в водоеме, новыми водами, поступившими извне [4]. При внутреннем водообмене происходит перемещение и смешение водных масс в самом водоеме. Он может быть связан как с внешним водообменом и водным балансом, так и с перемешиванием – горизонтальным и вертикальным турбулентным обменом. В первом случае фактором, определяющим водообмен, являются стоковые течения, во втором случае турбулентное перемешивание происходит при волнах и течениях (как стоковых, так и ветровых).
Внешний водообмен непосредственно связан с водным балансом водоемов. Он осуществляется по-разному в сточных и бессточных водных объектах. В реках и большинстве сточных водоемов, к которым принадлежат водохранилища (кроме многих прудов), водообмен осуществляется в основном путем притока воды с водосборов и стока из водотока или водоема. С поступающими или вытекающими водами перемещаются содержащиеся в них наносы, растворенные вещества, а часто и планктон. Следовательно, чем интенсивнее водообмен, тем быстрее могут изменяться физико-химические свойства вод.
Материалы и методы исследования
В работе были использованы составляющие водного баланса Воткинского водохранилища за период с 1993 по 2004 г. (рис. 1). Расчет показателя внешнего водообмена выполнен с использованием методики определения среднемесячных величин расходов воды, на границах морфометрических участков, предложенной Т.П. Девятковой [1] и объемных кривых.
Рис. 1. Соотношение приходной и расходной частей водного баланса Воткинского водохранилища (1993–2004 гг.)
Результаты исследования и их обсуждение
Наибольшая величина годового сброса воды через Камскую ГЭС за рассматриваемый период составила 73,6 км3 (93,2 % от прихода) в 1994 г., а наименьшая наблюдалась в 2004 г. и составила 49,5 км3 (92,9 % от приходной части). Боковая приточность в водохранилище достигла максимального значения в 1995 г. (1,32 км3 или 2,1 %), а минимального в 1996 г. (0,69 км3 или 1,2 %). Наибольшее количество атмосферных осадков было в 1994 г. и составило 0,72 км3 (0,9 % от прихода), а наименьшее количество наблюдалось в 1996 г. и составило 0,43 км3 (0,8 %). Наибольшее суммарное поступление вод в водохранилище было в 1994 г. (79,0 км3), а наименьшее в 2004 г. – 53,3 км3 [2].
Основной составляющей расходной части водного баланса водохранилища является поверхностный сток через Воткинскую ГЭС. Наибольшее значение этого поступления наблюдалось в 1994 г. и составило 77,1 км3 или 99,5 % от всей расходной части, наименьшее же значение пришлось на 2004 г. (50,6 км3 или 99,2 %). Величина потерь воды при испарении с поверхности водоема наибольшего значения достигала в 1998 г. и составила 0,47 км3 (0,8 % от расходной части). Наибольшие суммарные потери воды из водохранилища были в 1994 г. и составили 77,5 км3, а наименьшие – в 2004 г. (51,0 км3).
Сопоставление приходных и расходных частей водного баланса показало, что в 1994 и в 2004 г. приток вод в водохранилище был несколько выше потерь воды из водоема (в 1994 г. – 79,0 км3 и 77,5 км3, а в 2004 г. – 53,3 км3 и 51,0 км3).
На основе полученных данных можно сделать вывод, что 1994 г. является многоводным, а 2004 г. – маловодным.
Камское водохранилище характеризуется большими колебаниями величин приходной и расходной частей, чем на Воткинском, что говорит о том, что Камское водохранилище можно отнести к природно-техногенному объекту, а Воткинское, зарегулированное с двух сторон, стоит отнести к техногенному объекту.
Если сравнивать водный баланс на Камских водохранилищах за выявленный многоводный (1994) и маловодный (2004) г. с коэффициентами, полученными автором за многоводный (на Камском водохранилище – 1965 г., на Воткинском – 1979 г.) и маловодный (1967) г, то можно сделать вывод, что на Камском водохранилище суммарный объем приходной и расходной частей в 1994 г. (73,8 км3 и 74,2 км3) выше, чем в 1965 г. (68,0 км3 и 62,1 км3). Причиной этого является отсутствие рассчитанного прихода воды на неизученных реках в 1965 г., потому что по основному и боковому притоку объем воды в 1965 г. был выше, чем в 1994 г. (37,0 и 29,6 – в 1965 г.; 36,5 и 27,0 – в 1994 г.). На Воткинском водохранилище суммарный объем приходной и расходной частей в 1994 г. (78,9 км3 и 77,5 км3) выше, чем в 1979 г. (73,6 км3 и 73,9 км3).
Сравнивая маловодные годы (1967 и 2004 г.) можно сказать, что на Камском и Воткинском водохранилище объемы приходной и расходной частей в 2004 г. были больше, чем в 1967 г. На Камском водохранилище объем приходной части в 1967 г. был 39,6 км3, а в 2004 г. – 51,5 км3, а объем расходной части составил 37,8 км3 и 50,2 км3. На Воткинском водохранилище объем приходной части в 1967 г. был 39,4 км3, а в 2004 г. – 53,3 км3, а объем расходной части составил 36,7 км3 и 51,0 км3 [3].
В работе показатели внешнего водообмена для всего водохранилища были рассчитаны по модели водоема-вытеснителя по трем основным показателям:
– коэффициенту водообмена по притоку Дпр = 
(формула С.В. Григорьева),
– коэффициенту водообмена по оттоку (стоку) Дст = 
(формула Л.И. Дубровина),
– среднему коэффициенту водообмена Д = 
(формула В.Н. Штефана) (рис. 2).
Рис. 2. Изменение коэффициентов внешнего водообмена на Воткинском водохранилище за период с 1993 по 2004 гг.
Рис. 3. Изменение коэффициентов внешнего водообмена на Камском (а) и Воткинском (б) водохранилищах за период с 1993 по 2004 гг.
Рис. 4. Схема морфологических таксономов Воткинского водохранилища: 1 – границы районов; 2 – границы участков; 3 – расстояние (км) от плотины (по судовому ходу); 4 – номера районов; 5 – номера участков: 1 – Пермь – Краснокамск, 2 – Краснокамск – Сосновка (Оханск), 3 – Сосновка – Березовка, 4 – Березовка – Жулановка, 5 – Жулановка – Калиновка, 6 – Калиновка – Воткинская ГЭС
Максимальные значения коэффициентов водообмена по всем трем формулам пришлись на 1994 г. и составили 9,40, 9,58 и 9,49. Минимальные же значения были в 2003 г. – 6,60, 6,48 и 6,54.
Сравнение коэффициентов водообмена Камского и Воткинского водохранилищ представлено на рис. 3.
На основе полученных данных можно сделать вывод, что обмен вод в Воткинском водохранилище происходит быстрее, чем в Камском водохранилище (в 1.5 раза), кроме 1998 и 2001 г.
При оценке интенсивности внешнего водообмена морфометрических участков Камского и Воткинского водохранилищ использован показатель, представляющий собой отношение стока с каждого конкретного участка водоема к его объему, т.е.
Дуч = 
Анализ водообмена по приведенной формуле за период с 1993 по 2004 г. по Камскому и Воткинскому водохранилищам показал, что во внутригодовом ходе внешний водообмен имеет три фазы:
– весеннее наполнение с максимальными показателями водообмена;
– летне-осенний период;
– зимняя сработка водохранилища.
В период наполнения водохранилищ весной интенсивность водообмена на всех морфометрических участках (рис. 4) заметно выше, чем в зимнее и летнее время. При этом максимальные величины относятся к верхним участкам водоемов, а минимальные – к приплотинным участкам. На водохранилищах отмечается некоторое увеличение показателей водообмена во время прохождения паводков в летне-осенний период, на Камском водохранилище это более заметно, чем на Воткинском.
Период весеннего наполнения на всех участках Воткинского водохранилища в 1993 г. отмечался в мае. В это время были зафиксированы наибольшие значения обмена вод. Так, на верхнем участке обмен вод составляет 32,8 раза, в центральной части на участке Жулановка–Калиновка – 9,4 раза, на приплотинном участке водообмен снизился до 4,4 раз. В летне-осенний период за счет дождевых паводков (октябрь) водообмен увеличился и составил на участке Пермь–Оханск 6,8 раза, на участке Жулановка–Калиновка уменьшился до 2,7 раз и в приплотинной части водохранилища снизился до 1,4 раз. В период зимней сработки водоема (декабрь) наблюдались минимальные значения обмена вод в годовом аспекте и составили для верхнего участка – 4,4 раза, для центральной части водохранилища – 1,2 раза и на приплотинном участке обмен вод происходит 0,7 раз в месяц.
Согласно рис. 1 1994 год является многоводным за исследуемый период. В период весеннего наполнения водоема (май) (рис. 5) на первом участке водохранилища обмен вод составил 21 раз, в центральной части – 6 раз, а на приплотинном участке снизился до 2,8 раз. В летне-осенний период сильно выраженного увеличения водообмена во время дождевых паводков в октябре 1994 г. не было и обмен вод на тех же участков составил – 6,2; 2,5 и 1,3 раза. В период зимней сработки наименьшие значения обмена вод для всех участков пришлись на январь и составили 3,7; 1,2 и 0,7 раз. В декабре этого года наблюдалось повышение водообмена до 10,8 раза на верхнем участке водохранилища, что явилось экстремальным значением обмена вод за весь рассматриваемый период для данной фазы водного режима.
Рис. 5. Внутригодовой ход коэффициента Дуч Воткинского водохранилища в 1994 г.
Рис. 6. Внутригодовой ход коэффициента Дуч Воткинского водохранилища в 1996 г.
В период весеннего наполнения водоема в 1995 г. максимальные значения водообмена на участке от Камской ГЭС до Оханска были в апреле и составили 21,2 раза. На нижележащих участках наибольшие значения обмена вод пришлись на май и составили для центрального участка 6,6 раза, для приплотинного – 3,2 раза. В летне-осенний период в августе наблюдалось повышение водообмена на центральном и приплотинном участке до 2,3 и 1,2 раза за счет дождевых поводков. Затем водообмен снизился и вновь увеличился только к периоду зимней сработки (декабрь): в верхнем участке до 5,2 раза, в центральном до 1,7 раз аи на участке Калиновка–Воткинская ГЭС до 0,9 раз. Минимальные значения обмена вод пришлись на январь и составили для тех же участков –5,4; 1,0; 0,6 раза.
Согласно рис. 1 1996 г. является маловодным за исследуемый период. В период весеннего наполнения водохранилища максимальные значения обмена вод на участках Камская ГЭС–Оханск и Оханск–Жулановка были в мае и составили 17,9 и 8,8 раза, а на участках Жулановка–Калиновка и Калиновка–Воткинская ГЭС максимум пришелся на июнь и составил 4,0 и 2,0 раза. В летне-осенний период водообмен несколько увеличился в октябре на верхнем участке до 5,9 раз, в центральной части водохранилища составил 2,6 раза, на приплотинном участке – 1,4 раза. В период зимней сработки водохранилища минимальные значения водообмена отмечались в марте: в верхнем участке 4,0 раза, в центральном 1 раз и на участке Калиновка–Воткинская ГЭС 0,5 раза.
В период весеннего наполнения водоема в 1997 г. максимальные значения водообмена на всех участках Воткинского водохранилища были в мае и составили для верхнего участка 34,4 раза, для центрального участка – 10,6 раза, а для приплотинного – 5 раз. В летне-осенний период сильно выраженного увеличения водообмена во время дождевых паводков в октябре этого года не было и обмен вод для тех же участков составил – 5,5; 1,6 и 0,8 раза. В период зимней сработки водохранилища минимальные значения водообмена отмечались в феврале на участке Пермь–Оханск – 3,0 раза, Жулановка–Калиновка – 0,8 раза, Калиновка–Воткинская ГЭС – 0,4 раза.
В фазу весеннего наполнения водоема 1998 г. максимальные значения водообмена на всех участках водохранилища были в мае и составили для верхнего участка 39,2 раза, для центрального участка – 9,6 раза, а для приплотинного – 4,2 раза. В летне-осенний период было некоторое увеличение водообмена на верхнем участке в октябре и обмен вод был 5,8 раза, а на центральном и приплотинном участке такое явление отмечалось в сентябре – 2,3 и 1,2 раза. В период зимней сработки водоема на всех участках минимальные значения были в декабре и составили 3,3; 1,1 и 0,6 раза.
В период весеннего наполнения водоема 1999 г. максимальные значения водообмена на всех участках водохранилища были в мае и составили для верхнего участка 40 раз, для центрального участка – 10,6 раз, а для приплотинного – 4,7 раз. В летне-осенний период было некоторое увеличение водообмена на верхнем участке в сентябре, когда обмен вод составил 5,9 раза. В ноябре на всех участках водохранилища отмечалось некоторое повышение водообмена на верхнем участке до 5,7 раза, в центральной части водохранилища обмен вод составил 2,1 раза, на приплотинном участке – 1 раз. В период зимней сработки водоема на всех участках минимальные значения были в декабре и составили 4,4; 1,3 и 0,7 раза.
Характер пространственно-временных изменений обмена вод в последующие годы (2000-2004 гг.) рассматриваемого периода в целом аналогичен выше представленному временному интервалу.
Выводы
1. Рассматривая изменение показателей водообмена по длине водохранилища видно, что в течение года происходит плавное снижение обмена вод от плотины Камской ГЭС до плотины Воткинской ГЭС за весь расчетный период. Наибольшие их значения приходятся на период весеннего наполнения – май, минимальные на период зимней сработки.
2. Сравнение коэффициентов водообмена на Воткинском водохранилище за выявленный многоводный (1994) и маловодный (1996) год с их величинами, полученными автором за многоводный (1965) и маловодный (1967) год [3-5] показало, что в период весеннего наполнения водоема показатели водообмена в 1994 г. на верхнем участке (21 раз) больше, чем в 1965 г. (14,7 раза). На остальных участках водохранилища, наоборот, в 1965 г. (центральная часть – 7,3 раза, приплотинная – 3,5 раза) водообмен был больше, чем в 1994 г. (6 и 2,8 раз). В остальные фазы водного режима на всех участках водохранилища обмен вод выше в 1994 г.
3. На Воткинском водохранилище в период с февраля по апрель обмен вод в центральной и приплотинной части водохранилища происходил быстрее в 1967 г. в 1–1,5 раза, чем в 1996 г. В остальные месяцы на всех участках водоема водообмен в 1996 г. был выше, чем в 1967 г. в 1–3 раза.
4. В целом, наличие трех фаз во внутригодовом ходе внешнего водообмена и распределение коэффициентов Дуч по длине водохранилищ остается неизменным.
5. Полученные величины обмена вод морфометрических участков Воткинского водохранилища могут быть с успехом использованы при оценке процессов разбавления и смешения сточных вод, сбрасываемых в водоем, а также при оценке состояния водной экосистемы водохранилища.