Воздействие водохранилищ на окружающую среду становится объектом все более пристального внимания, поскольку глобальный спрос на воду и энергию растет, а количество и размеры водохранилищ увеличиваются.
Плотины и водохранилища могут использоваться для подачи питьевой воды , выработки гидроэлектроэнергии , увеличения водоснабжения для орошения , предоставления возможностей для отдыха и борьбы с наводнениями . В 1960 году строительство Ллин-Селин и затопление Капель-Селин вызвали политический скандал, который продолжается и по сей день. Совсем недавно строительство плотины Три ущелья и других подобных проектов по всей Азии , Африке и Латинской Америке вызвало значительные экологические и политические дебаты. В настоящее время 48 процентов рек и их гидроэкологических систем затронуты водохранилищами и плотинами. [1]
Плотина действует как барьер между движением вверх и вниз по течению мигрирующих речных животных, таких как лосось и форель . [3]
Некоторые общины также начали практику транспортировки мигрирующей рыбы вверх по течению для нереста на баржах. [3]
Реки переносят осадок вниз по своим руслам, что позволяет формировать осадочные образования, такие как речные дельты , аллювиальные конусы выноса , разветвленные реки , старицы , дамбы и прибрежные берега . Строительство плотины блокирует поток осадка вниз по течению, что приводит к эрозии этих осадочных осадочных сред и увеличению накопления осадка в водохранилище. Хотя скорость осадконакопления различается для каждой плотины и каждой реки, в конечном итоге все водохранилища развивают уменьшенную емкость для хранения воды из-за обмена пространства «живого хранилища» на осадок. [4] Уменьшенная емкость хранения приводит к снижению способности производить гидроэлектроэнергию, снижению доступности воды для орошения и, если ее не решать, может в конечном итоге привести к истечению срока службы плотины и реки. [5]
Захват осадка в водохранилищах снижает доставку осадка вниз по течению, что отрицательно влияет на морфологию русла, водные среды обитания и поддержание уровня суши в дельтах . [6] Помимо удаления плотин , существуют и другие стратегии по уменьшению осадконакопления в водохранилищах.
Метод промывочного потока подразумевает частичное или полное опорожнение водохранилища за плотиной для размывания осадка , хранящегося на дне, и транспортировки его вниз по течению. [7] [6] Цель промывочных потоков — восстановить естественные потоки воды и осадка в реке ниже по течению от плотины, однако метод промывочного потока менее затратен по сравнению со сносом плотин или строительством обходных туннелей.
Смывные потоки осуществлялись в реке Эбро дважды в год осенью и весной с 2003 года, за исключением двух засушливых лет в 2004 и 2005 годах. [8] [9] Строительство нескольких плотин на реке Эбро нарушило доставку наносов вниз по течению, и в результате дельта Эбро столкнулась с дефицитом наносов . Русло реки также сузилось, а береговая эрозия увеличилась. [7] В ходе экспериментов было обнаружено, что концентрация взвешенных наносов во время промывных потоков вдвое превышает концентрацию во время естественных паводков , хотя общий расход воды ниже. Это означает, что промывные потоки имеют относительно высокую способность переноса наносов , [8] что, в свою очередь, предполагает, что промывные потоки положительно влияют на экосистемы рек вниз по течению , максимизируя доставку наносов в самые нижние участки реки. [10] В дельту Эбро может быть доставлено в общей сложности 340 000 т/год наносов, что может привести к чистой скорости прироста 1 мм в год. [7]
Обходные туннели для осадка могут частично восстановить динамику осадка в реках ниже плотин и в основном используются в Японии и Швейцарии . [11] Обходные туннели отводят часть поступающей воды и осадка во время наводнений в туннель вокруг водохранилища и плотины . Таким образом, вода и осадок никогда не попадают в водохранилище, а снова присоединяются к реке ниже плотины. [12] Обходные туннели уменьшают эрозию русла реки и увеличивают морфологическую изменчивость ниже плотины. [13]
Поскольку все плотины приводят к уменьшению нагрузки наносов ниже по течению, запруженная река очень требовательна к осадкам, поскольку у нее не будет достаточного количества осадка. Это происходит потому, что скорость отложения осадка значительно снижается, так как откладывать его становится меньше, но скорость эрозии остается почти постоянной, поток воды размывает берега и русло реки, угрожая экосистемам береговой линии, углубляя русло реки и сужая реку с течением времени. Это приводит к снижению уровня грунтовых вод, снижению уровня воды, гомогенизации речного потока и, таким образом, снижению изменчивости экосистемы, снижению поддержки дикой природы и уменьшению количества осадка, достигающего прибрежных равнин и дельт. [5] Это вызывает прибрежную эрозию , поскольку пляжи не могут восполнить то, что волны размывают, без отложения осадка поддерживающих речных систем. [14] Эрозия русла запруженных рек вниз по течению связана с морфологией русла реки, что отличается от прямого изучения количества осадка, поскольку оно зависит от определенных долгосрочных условий для каждой речной системы. Например, размытый канал может создать более низкий уровень грунтовых вод в пострадавшем районе, что повлияет на пойменные культуры, такие как люцерна или кукуруза , и приведет к меньшему снабжению. [15] В случае с плотиной Три ущелья в Китае описанные выше изменения, по-видимому, привели к новому балансу эрозии и седиментации за 10-летний период в нижнем течении реки. Воздействия на приливную зону также были связаны с воздействием плотины вверх по течению. [16]
Помимо воздействия прибрежной эрозии, уменьшение речного стока может также изменить океанические течения и экосистемы. [17]
После возведения плотины она становится препятствием для потока питательных веществ, таких как углерод (C), азот (N), фосфор (P) и кремний (Si), в реку, поймы и дельту ниже по течению. Увеличенное время пребывания этих элементов в проточной системе водохранилища по сравнению с проточной системой реки способствует их осаждению или элиминации [18], что может составлять до 40%, 50% и 60% для азота, фосфора и кремния соответственно [19], и это в конечном итоге изменяет стехиометрию питательных веществ в водной экосистеме ниже по течению от плотины. Стехиометрический дисбаланс азота, фосфора и кремния в оттоке может иметь последствия для экосистем ниже по течению, сдвигая сообщество фитопланктона в основе пищевой сети с последствиями для всей водной популяции. [20] [21] [22] Примером может служить эффект от строительства Асуанской плотины в Египте, где падение концентрации питательных веществ в дельте Нила затормозило цветение диатомовых водорослей, что привело к существенному сокращению популяции рыб Sardinella aurita и Sardinella eba , в то время как уменьшение нагрузки ила и грязи повлияло на микробентосную фауну , что привело к сокращению популяции креветок. [23] Изменение стехиометрии питательных веществ и истощение кремния в дельте реки также может вызвать вредоносное цветение водорослей и бактерий в ущерб росту диатомовых водорослей , для которых доступность кремния является важной вехой для формирования раковин.
Поскольку перекрытые плотиной реки сохраняют питательные вещества в течение всего срока службы, можно ожидать, что при сносе плотины эти питательные вещества будут повторно мобилизованы, что приведет к эвтрофикации экосистем ниже по течению и вероятной потере биоразнообразия , тем самым достигая противоположного эффекта, который ожидался при восстановлении реки после сноса плотины.
Вода глубокого водохранилища в умеренном климате обычно стратифицируется с большим объемом холодной, бедной кислородом воды в гиполимнионе. Анализ температурных профилей 11 крупных плотин в бассейне реки Мюррей-Дарлинг (Австралия) показал разницу между температурой поверхностной воды и придонной воды до 16,7 градусов по Цельсию. [24] Если эта вода сбрасывается для поддержания речного стока, это может оказать неблагоприятное воздействие на экосистему ниже по течению, включая популяции рыб. [25] В худших условиях (например, когда водохранилище заполнено или почти заполнено) накопленная вода сильно стратифицируется, и большие объемы воды сбрасываются в русло реки ниже по течению через выпуски на уровне дна, пониженные температуры можно обнаружить на расстоянии 250–350 километров (160–220 миль) ниже по течению. [24] Операторы плотины Беррендонг на реке Маккуори (восточная Австралия) пытаются решить проблему теплового подавления, навешивая геотекстильную завесу вокруг существующей выпускной башни, чтобы заставить выборочно сбрасывать поверхностную воду. [26]
Многие плотины строятся для орошения, и хотя ниже по течению существует сухая экосистема, она намеренно разрушается в пользу орошаемого земледелия. После того, как в Египте была построена Асуанская плотина , она защитила Египет от засух 1972–1973 и 1983–1987 годов, которые опустошили Восточную и Западную Африку. Плотина позволила Египту вернуть около 840 000 гектаров в дельте Нила и вдоль долины Нила, увеличив орошаемые площади страны на треть. Увеличение было достигнуто как за счет орошения того, что раньше было пустыней, так и за счет ввода в эксплуатацию 385 000 гектаров, которые были естественными водохранилищами для удержания паводков. Около полумиллиона семей были поселены на этих новых землях. В 1983 году проект плотины Франклина в Тасмании, Австралия, был отменен после кампании по защите окружающих лесов от вырубки и затопления. [27]
Во многих [ количественно ] развивающихся странах с низкими уровнями [ требуется пример ] саванна и лесная экология , прилегающая к поймам и дельтам рек, орошаются ежегодными наводнениями в сезон дождей. Фермеры ежегодно сажают культуры, пригодные для спада наводнений, где земля обрабатывается после спада наводнений, чтобы использовать влагу в почве. Плотины, как правило, препятствуют такому возделыванию и предотвращают ежегодные наводнения, создавая более сухую экологию ниже по течению, обеспечивая при этом постоянное водоснабжение для орошения.
Исследования случаев
Плотины время от времени прорываются, нанося катастрофический ущерб населенным пунктам ниже по течению. Плотины прорываются из-за инженерных ошибок, атак или стихийных бедствий. Самая крупная катастрофа с прорывом плотины на сегодняшний день произошла в Китае в 1975 году, в результате чего погибло 200 000 китайских граждан. Другие крупные аварии в 20 веке произошли в Морби, Индия (5000 погибших), в Ваджонте, Италия (2000 погибших), а три других прорыва плотин привели к гибели не менее 1000 человек каждая .
Спорная плотина «Три ущелья» в Китае способна удерживать 22 кубических километра (5,3 кубических миль) паводковых вод на реке Янцзы. Наводнение на реке Янцзы 1954 года унесло жизни 33 000 человек и вынудило 18 миллионов человек покинуть свои дома. В 1998 году наводнение унесло жизни 4000 человек и 180 миллионов человек пострадали. Затопление водохранилища привело к переселению более миллиона человек, а затем наводнение в августе 2009 года было полностью охвачено новым водохранилищем, защитив сотни миллионов людей ниже по течению.
Создание водохранилищ может изменить естественный биогеохимический цикл ртути . Исследования, проведенные по формированию экспериментального водохранилища путем затопления бореальных водно-болотных угодий, показали 39-кратное увеличение производства токсичной метилртути (MeHg) после затопления. [31] Увеличение производства MeHg продолжалось всего около 2–3 лет, прежде чем вернуться к почти нормальному уровню. Однако концентрация MeHg в организмах низшей пищевой цепи оставалась высокой и не показывала никаких признаков возвращения к уровню до затопления. Судьба MeHg в этот период времени важна при рассмотрении ее потенциала биоаккумуляции в хищных рыбах. [32]
Болезни Водохранилища полезны для людей, но
они также могут быть вредны. Одним из негативных эффектов является то, что водохранилища могут стать рассадниками переносчиков болезней. Это особенно актуально в тропических районах, где комары (переносчики малярии ) и улитки (переносчики шистосомоза ) могут воспользоваться этой медленно текущей водой. [33]
Переселенческие
плотины и создание водохранилищ также требуют переселения потенциально большого количества людей, если они построены близко к жилым районам. Рекорд по самому большому количеству переселенного населения принадлежит плотине « Три ущелья», построенной в Китае . Ее водохранилище затопило большую территорию земли, заставив более миллиона человек переселиться. «Переселение, связанное с плотиной, влияет на общество тремя способами: экономическая катастрофа, человеческая травма и социальная катастрофа», — утверждают доктор Майкл Сернеа из Всемирного банка и доктор Тайер Скаддер, профессор Калифорнийского технологического института . [2]
Помимо переселения общин, необходимо также проявлять осторожность, чтобы не нанести непоправимый ущерб объектам, имеющим историческую или культурную ценность. Асуанская плотина заставила переместить храм в Асуане, чтобы предотвратить его разрушение затоплением водохранилища.
Водохранилища могут способствовать изменению климата Земли. Водохранилища с теплым климатом генерируют метан , парниковый газ , когда водохранилища стратифицированы, в которых нижние слои являются бескислородными (т. е. в них отсутствует кислород), что приводит к деградации биомассы через анаэробные процессы. [34] [ нужна страница ] На плотине в Бразилии, где затопленный бассейн широкий, а объем биомассы высок, произведенный метан приводит к потенциальному загрязнению в 3,5 раза большему, чем могла бы быть у электростанции, работающей на мазуте. [35] Теоретическое исследование показало, что во всем мире водохранилища гидроэлектростанций могут ежегодно выбрасывать 104 миллиона метрических тонн метанового газа. [36] Метановый газ вносит значительный вклад в глобальное изменение климата. Это не единичный случай, и, по-видимому, особенно плотины гидроэлектростанций, построенные в низинных районах тропических лесов (где необходимо затопление части леса), производят большое количество метана. Брюс Форсберг и Александр Кеменес продемонстрировали, что плотина Балбина , например, выбрасывает 39 000 тонн метана каждый год [37] , а три другие плотины в Амазонии производят по крайней мере в 3–4 раза больше CO2, чем эквивалентная угольная электростанция. Причины этого в том, что равнинные тропические леса чрезвычайно продуктивны и, таким образом, хранят гораздо больше углерода, чем другие леса. Кроме того, микробы, которые переваривают гниющий материал, лучше растут в жарком климате, тем самым производя больше парниковых газов. Несмотря на это, по состоянию на 2020 год в бассейне Амазонки планируется построить еще 150 гидроэлектростанций. [38] Есть некоторые признаки того, что выбросы парниковых газов снижаются в течение срока службы плотины. «Но даже включая выбросы метана , общий выброс ПГ [парниковых газов] на кВт·ч, вырабатываемый гидроэлектростанциями, все равно составляет по крайней мере половину от выбросов наименее загрязняющих тепловых альтернатив. Таким образом, с точки зрения смягчения последствий глобального потепления плотины являются наиболее привлекательной альтернативой источникам энергии на основе ископаемого топлива». [34]
Исследования, проведенные в районе экспериментальных озер, показывают, что создание водохранилищ путем затопления бореальных водно-болотных угодий, которые являются поглотителями CO 2 , превращает водно-болотные угодья в источники атмосферного углерода. [31] Было обнаружено, что в этих экосистемах изменение содержания органического углерода не оказывает существенного влияния на темпы выбросов парниковых газов. Это означает, что важно учитывать другие факторы, такие как лабильность углеродных соединений и температура затопленной почвы. [39]
В следующей таблице указаны выбросы из водохранилищ в миллиграммах на квадратный метр в день для различных водоемов. [40]