ПРУДЫ И ВОДОХРАНИЛИЩА КАК ГЕОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

В двадцатом веке, во время бурного технического прогресса и новых научных открытий, наиболее важной проблемой как для всей мировой цивилизации так и для каждого отдельного человека стало огромной проблемой загрязнение окружающей среды.

В настоящее время среди большого числа проблем, которые сегодня ставит человечество, наиболее острыми являются социальные, экологические, продовольственные, энергетические и водные проблемы. В то же время, четыре упомянутых выше не могут быть решены, если не найдено приемлемого решения водных проблем. Вот почему во многих странах мира многие ученые и правительственные чиновники в числе первых обозначают проблему обеспечения водой растущего населения и экономики [4]. В конце концов, текущее состояние водоемов, их режим и качество воды с каждым годом вселяют все большую тревогу за существование биосферы и будущее человечества.

Только сорок лет назад не только для населения в целом, но и для учёных-гидрологов и водохозяйственных организаций не казалось, что проблема обеспечения водой всех живых существ может стать столь острой в глобальном масштабе. Ведь около 3/4 поверхности Земли покрыто водой. В шутку они назвали нашу планету "мокрым шариком в мокрой оболочке". Общее количество воды измеряется гигантской цифрой в 1386 миллионов кубометров, и это означает, что на каждого жителя нашей планеты приходится около 300 миллионов кубометров. воды. Но, к сожалению, для человеческой жизни на Земле не так много пресной воды, только 2,5% от ее общего количества на Земле, и более 2/3 ее содержится в ледниках и снежных полях. Наиболее важная для человека и используемая для различных нужд речная вода составляет всего 0,0002% от общих запасов воды. Кроме того, они неравномерно распределены как на поверхности Земли, так и в течение сезонов года, а во многих регионах самые крупные водные артерии расположены в районах с относительно малонаселенными и слабо развитыми [1].

Стремительное развитие промышленности и рост городов, бурное развитие сельского хозяйства, увеличение количества орошаемых земель, интенсификация культурно-бытовых условий и множество других факторов все в большей степени увеличивает проблемы обеспечения данных структур водой.

На сегодняшний день выдвигаются тенденции по более целесообразному расходу водных ресурсов. Ведутся исследования в области наиболее ёмкого употребления и расширенное воспроизводство пресноводных ресурсов; разработка новых технологических процессов для предотвращения загрязнения водоёмов и минимизации потребления пресной воды.

На данный момент снабжённость чистой пресно водой в расчёте на одного человека в сутки в различных странах насчитывает разные показатели. В некоторых государствах с более прогрессивной экономикой на данное время уже появилась проблема нехватки чистой пресно воды [2]. Чем активнее развивается техносфера, тем больше возникает дефицит пресной воды. В настоящее время учёные рассматривают альтернативные методы источники воды – айсберги, который дрейфуют от берегов Гренландии и Антарктиды.

Передовые огромные теплоэлектростанции потребляют очень большое количество водных ресурсов. Одна такая станция с потребляющей способностью в 300тыc. кВт способна расходовать до 150м³/с, что составляет почти 320 млн. м³ в год.

Использование водных ресурсов теплоэлектростанций ежегодно возрастает в 8-10 раз.

Одно из главных мест в потреблении водных ресурсов занимает использование пресной воды для нужд населения. Примерно 10% в России приходится на хозяйственно-питьевое потребление воды её гражданами. В то же время требуется бесперебойное водоснабжение, а также строгое соблюдение научно обоснованных санитарно-гигиенических стандартов [5].

Потребление воды в аспектах хозяйственной деятельности является одним из главных этапов круговорота воды в природе. Антропогенный этап круговорота представляет из себя процесс испарения некоторого объёма опреснённой человеком воды в атмосферу. Другая часть (находящаяся в водоснабжении городов и большинства промышленных предприятий 90%) сбрасывается в водоёмы в виде сточных вод, загрязнённых промышленными отходами.

На сегодняшний день по данным Государственного водного реестра России, общее количество потребляемое из водных источников в 2015 году, составил более 105 км³. На народное хозяйство приходилось более 70 км³ пресной воды. Промышленность в свою же очередь использует всего 9 км³, остальные 26 км³ - системой оборотного и повторно-последовательного водоснабжения [5].

Пруды и водохранилища относятся к геотехническим системам, которые составляют особый класс природно–технических систем. Под природно–техническими системами понимается сочетание техники и природы или природных и технических подсистем. Природно-техническая система – это любая комбинация из технического устройства и природного тела любого размера, элементы которой объединяются единством выполняемой социально-экономической функции [3]. Представление о природно-технических системах было высказано в 1967 г. И.П. Герасимовым, В.С. Преображенским, Л.Ф. Кунициным, А.Ю. Рестюмом, К.Н. Дьяконовым. Геотехнические системы выделяются из этого класса прежде всего тем, что их подсистемами выступают с одной стороны – природные геотехнических системы, с другой – технологические объекты и комплексы технологических процессов. По мнению К.Н. Дьяконова, В.С. Аношко, геотехническая система – это образование физико-географической размерности, у которой природные и технические части настолько тесно связаны, что функционируют в составе одного целого [1].

Искусственные водные объекты (ИВО) являются постоянно контролируемыми геотехническими системами. К их числу относятся водохранилища, пруды, каналы. В Республике Мордовия наиболее распространены водохранилища и пруды. Их характеристике посвящена работа. Водохранилища и пруды очень похожие объекты. Разница между ними в размерах. В разных странах приняты разные количественные критерии, отличающие водохранилища от прудов. Водохранилищами следует считать искусственно созданные долинные, котлованные и естественные озерные водоёмы с замедленным водообменом, полным объёмом более 1 млн., уровненный режим которых постоянно регулируется (контролируется) гидротехническими сооружениями в целях накопления и последующего использования запасов вод для удовлетворения хозяйственных и социальных потребностей. Пользование водохранилищ связано не только с безвозвратным изъятием воды. Для рыбного хозяйства, рекреации, охлаждения агрегатов электростанций, поддержание гарантированных судоходных глубин в пределах водохранилища и т.п., нужна акватория и водная масса в целом, а не только полезный объём, т.е. ежегодно расходуемый запас воды. У прудов и водохранилищ нет природных аналогов. Лишь по форме чаши с ними сходны завально-запрудные озёра [4].

Создание водохранилищ нередко ведет к существенному изменению почвенного и растительного покрова прилегающей береговой зоны. Размеры территории, на которой происходят изменения почвенного и растительного покрова, могут быть, особенно у равнинных водохранилищ. В зоне периодического затопления формируются болотные и торфяно-иловые почвы с высокой степенью заторфованности и большим содержанием закисных форм железа. В зоне подтопления грунтовые воды подходят близко к поверхности, здесь степень увлажнения почв определяется не только глубиной залегания грунтовых вод, но и величиной их капиллярного подъема. В зоне умеренного подтопления доминирует процесс так называемого олуговения подзолистых почв, когда в них повышается содержание гумуса, азота, фосфора, кальция и соединений железа, в верхнем горизонте почв появляются охристые пятна и прожилки и под действием грунтовых вод, имеющих нейтральную реакцию, уменьшается кислотность в нижнем слое. В зоне слабого подтопления увеличивается подвижность гумусовых веществ и железа, происходит оглиение почвы, на ее поверхности появляются разрозненные пятна и прослойки зеленого цвета. Постоянное затопление территории приводит к полной гибели существовавшей ранее наземной растительности, за исключением отдельных видов в зонах мелководного затопления.

Отметим наиболее важные особенности водохранилищ:

1. Водохранилища – антропогенные, управляемые человеком объекты, но они испытывают также сильнейшее воздействие природных фактов, поэтому как объекты изучения, использования и управления занимают промежуточное положение между «чисто природными» и «чисто техническими» образованиями. Это даёт право именовать их геотехническими системами [5];

2. Водохранилища заметно, а нередко значительно воздействуют на окружающую среду, вызывая изменения природных и хозяйственных условий на прилегающих территориях. Естественно, что наряду с заранее запланированными благоприятными последствиями возникают также и последствия негативного, неблагоприятного характера;

3. Водохранилищам свойственна особая система так называемых внутриводоемных процессов: гидрологических, гидрофизико-химических и гидробиологических;

4. Водохранилища – водоёмы, наиболее интенсивно используемые различными отраслями хозяйства. НА каждом значительном водохранилище формируется водохозяйственный комплекс (ВХК). Среди компонентов ВХК, т.е. всех отраслей хозяйства, использующих водохранилище и реку в нижнем бьефе, выделяют ВХК – отрасли, заинтересованные в создании водохранилища и финансирующие его. Остальные отрасли используют водохранилище, поскольку оно существует. Участники ВХК предъявляют различные, а подчас и противоречивые требования к режиму использования водохранилищ;

5. Для водохранилищ как природно-хозяйственных объектов характерна чрезвычайно высокая динамичность развития (эволюция). Таким образом, ИВО является специфической постоянно контролируемой человеком геотехнической системой. Для ИВО свойственны ряд особенностей, по которым они отличаются от других геотехнических систем.