Водные ресурсы Свердловской области Лекция 3

Водные ресурсы Свердловской области

Лекция № 3

ИСТОРИЯ ОСВОЕНИЯ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

До XVI в. территория Свердловской области была заселена чрезвычайно слабо. По писцовым книгам, в 1579 г. плотность населения составляла в среднем 11 чел. на 10 км². Активное заселение Урала началось во время царствования Ивана Грозного. В XVI в., спасаясь от долгов по оброку, крестьяне бежали на свободные земли, расположенные на окраинах государства. Из-за постоянных набегов кочевников на юге доступным для переселения направлением оставалось восточное – к Уральскому хребту. В конце XVI в. крестьяне из подмосковного центра в массовом порядке «побежали» на Урал. Большую роль в колонизации территории сыграли крупные капиталисты и энергичные предприниматели Строгановы. После успешного завершения финансированного ими похода Ермака в 1582 г. появилась возможность заселения и восточных склонов Урала. В XVII в. здесь выросли первые русские поселения. После формального закрепощения крестьян в 1649 г. заселение Урала беглой вольницей еще более усилилось. А после 1654 г. к ним присоединились крестьяне, спасавшиеся от жестоких преследователей так называемого раскола. В результате население Урала и Приуралья к концу XVII в. значительно возросло

Пришлые из центральных областей люди принесли с собой технические навыки по использованию энергии движущейся воды в естественных водотоках. Применяемые с этой целью простейшие водяные мельницы появились на Руси в глубокой древности. Позже их строительство стало повсеместным явлением, и в XVI в. они появились на Урале. Из-за стихийного характера создание мельничных плотин препятствовало судоходству и вызывало подтопление сухопутных дорог и бродов. В XVII в. это строительство стало настолько массовым, что для его упорядочения принимались специальные меры. В основном законе того времени – «Соборном Уложении» царя Алексея Михайловича (1649 г.) – указывалось: «А которыми реками суды ходят и на тех реках прудов новых и плотин и мельниц не делати, чтобы по тем рекам новыми прудами судового ходу не переняти. А буде кто на такой реке плотину и зделает: и ему у той плотины для судового ходу зделати ворота, чтобы теми вороты мочто было судом ходити».

Мельницы служили в основном для переработки сельскохозяйственной продукции: ломала зерна на муку, обдирания семени, сбивания масла и пр. Простейшие механизмы и приспособления, используемые в этих процессах, приводились в действие от водяного колеса, которое вращалось водой, ударяющейся о его лопасти. Чтобы усилить вращение, ручей или речка подпирались плотиной, переводящей рассредоточенное по длине падение потока в сосредоточенный в одном месте перепад. Поэтому водяные мельницы почти всегда строились при плотинах.

Вначале создавались простейшие мутовчатые мельницы с жерновом и горизонтальным водяным колесом, расположенным на общем валу. Водяное колесо вращалось вокруг вертикальной оси водой, которая давила на лопасти его одной половины. Для этого достаточно было создать подпор в 0,7 – 1,0 м, а сами плотины имели высоту не более 1,5 – 2,0 м. Они возводились крестьянами из различного подручного материала, имевшегося поблизости, на мелких несудоходных речках. Чаще всего это были заграждения («езы») в виде забитых в дно поперек водотока одного или двух рядов кольев, оплетенных прутьями, ветвями, сучьями. В промежутке, спереди и сзади они заделывались сучьями, хворостом или соломой вперемежку с навозом, торфом или глинистой землей. Иногда основу этих плотин составляли заборы, построенные в два ряда из бревен, связанных поперек также бревнами. Такого типа сланевые плотины были широко распространены на Урале в XVIII в.

Однако состоятельные люди строили крупные мельницы с использованием более мощных вертикальных водяных колес. Эти колеса приводились и действие водой, ударяющей о лопасти, расположенные ниже горизонтальной оси вращения, из-за чего получили название нижнебойных или «подливных». Вращение жернова и приведение в действие других приспособлений осуществлялось от колеса через простейшую механическую передачу. Плотины при мельницах создавали подпор до 1,5-2,0 м и были высотой в сажень и более.

Простейшие мутовчатые мельницы и мельницы с нижнебойными водяными колесами строились, очевидно, при плотинах, возводимых в текущих водотоках, без какого-либо отвода воды во время строительства искусственными каналами. Однако для пропуска излишних расходов воды могли устраиваться специальные отверстия, перекрываемые плоскими деревянными щитами-ставнями, подъем которых производился вручную с помощью рычагов. Соответствующие этому небольшие объемы работ могли выполняться силами одной семьи.

В конце XVI в. – начале XVII в. на больших мельницах стали использовать более эффективное верхнебойное или «наливное» колесо. Оно приводилось в действие водой, ударяющейся и наливающейся в лопасти на его верхней и задней части. Высота плотин при этом по описаниям достигала 6,4 м.

Крупные мельничные плотины строились преимущественно деревоземляными. Самым распространенным материалом была древесина, из которой строились все жилые и хозяйственные постройки. На берегу или на месте плотины на всю ее высоту рубились прямоугольные ряжи, которые устанавливались один к другому поперек течения воды. Для придания плотине устойчивости и водонепроницаемости клетки ряжей заполнялись глинистой землей и в редких случаях – камнем. Плотины из ряжей получались компактными в сечении и небольшими по объему Ряжевые стенки защищали загрузку клеток от размыва текущей водой во время строительства и при эксплуатации плотин. Из-за сравнительно небольшого напора фильтрация воды через тело плотины была неопасной, так как ряжи препятствовали образованию больших промоин, а незначительные ликвидировались без остановки работы мельниц. В этом случае тело плотин возводилось за один строительный сезон на пойме и в русле реки. Водяное колесо устанавливалось в русле, для чего на это время вода отводилась сбоку временным каналом. При последующей заделке канала на этом месте могло устраиваться водоспускное отверстие, перекрываемое деревянным щитом в направляющих стойках.

В начале XVI в. отдельные плотины строились из камня. Их тело состояло из сплошной каменной кладки на известковом растворе и укреплялось рядами свай. Однако эти плотины в России не получили распространения, и во второй половине XVII в. о них уже не упоминается. Очевидно, при своей большой стоимости и трудоемкости строительства они оказывались недолговечными, так как известковый раствор из швов кладки вымывался водой.

Благодаря значительному напору на плотины, образовываюсь большие по емкости и площади пруды. Соответственно выполнение значительных объемов работ осуществлялось наемными людьми, монахами при монастырях, а после 1649 г. – крепостными крестьянами.

В целом водяные мельницы и плотины в государстве строились «с русского обычая», т. е. на основе передаваемого из поколения в поколение опыта, накопленного русскими мастерами. Однако эти традиции нарушались нестандартно мыслящими умельцами по мере осознания необходимости внести улучшения в использование сооружений, в их конструкции или приемы строительства. Появившийся еще в начальной летописи эпитет «хитрец» долго сохранялся в древнерусском лексиконе как свидетельство изобретательности и особого искусства мастера, применившего впервые, а не «по обычаю» какую-либо новую конструкцию или новый метод работ. Иногда сама необычность, грандиозность «хитроумной» затеи привлекала внимание летописца, и он заносил известие в свою хронику. Усилиями подобных мастеров водяной двигатель в XVI в. начал использоваться не только при переработке сельскохозяйственной продукции, но и в других производственных процессах, где преобладало качественно однообразное движение.

Приблизительно до XVI в. рудные богатства Урала оставались неизвестными русскому правительству. Во времена царствования Ивана III в стране остро ощущался недостаток драгоценных металлов и меди. Отсутствие таких месторождений в центре побуждало правительство организовывать их поиски в наиболее доступном направлении - на севере и северо-востоке государства. На Урале поиски велись в местах, указываемых коренными обитателями: вогулами, остяками, башкирами и другими малыми народностями. С этого времени в Москву стали поступать первые сведения об уральских рудах.

Пришлые из центральных областей люди принесли с собой технические навыки по добыче руды и обработке металла. Добыча производилась преимущественно в местах старых разработок «чуди», коренных обитателей Урала, которые ее здесь «копали» задолго до прихода русских. Железо получали сыродутным способом из руды в ручных домницах или горнах. В 1682 г. на землях Долматова монастыря и на его средства недалеко от впадения речки Железенки в Исеть был построен небольшой завод и поселок. Завод имел лишь две сыродутные печи и кузницу и обслуживал собственные нужды монастыря. В конце XVII в. в Кунгурском уезде на речках при плотинах было несколько вододействуюших молотов, владельцы которых скупали у кустарей-плавильников неотделанные куски криц и обрабатывали их в полосовое и прутовое железо. Одним из таких кустарей был крестьянин Сысоев, имевший на реке Суксуне, где впоследствии возник Суксунский завод, домницу с сыродутными печами и вододействующий молот. Другой крестьянин – Порошин из деревни Мазуевки – имел в специальном «амбаре» при мельнице вододействующий молот – «пест» на валу с двумя шипами. Вододействуюшие молоты и крестьянские ручные домницы продолжали работать всю первую четверть века.

В конце XVII в. – начале XVIII в., в связи с резко возросшей потребностью в металле и достаточно плотным заселением Урала, внимание правительства все чаще обращалось к уральским рудам.

В 50 – 60-е годы XVIII в. продолжалось интенсивное строительство вододействующих заводов и плотин. Но уже во второй половине XIX в. началась их реконструкция в связи с совершенствованием техники и введением новой технологии производства металла. В области энергетики малопроизводительные водяные колеса постепенно заменялись паровыми машинами и гидравлическими турбинами, и на построенных в последней четверти XIX в. заводах водохранилища уже не создавались.

С самого начала используемые на Урале наиболее производительные верхнебойные водяные колеса совершенствовались за счет применения металла, увеличения мощности и быстроходности.

Усилия местных мастеров-умельцев практически стерли различия между водяными колесами и начавшими появляться первыми водяными турбинами. В 1837 г., через три года после изобретения Фурнейроном турбины, на Алапаевском заводе плотинный мастер И.Е. Сафонов самостоятельно изготовил и установил аналогичную. По сравнению с водяными колесами усовершенствованные турбины занимали меньше места, обладали большей мощностью и быстроходностью. Установленные турбинные агрегаты позволяли за счет вырабатываемой электроэнергии избавиться от большого количества водяных колес, механических передач, подводящих лотков и отводящих каналов, чрезмерно загромождавших заводские цеха и территорию. Щитовые стенки водозаборов часто использовались для врезки входного отверстия турбинного водовода и не разбирались. Иногда для этого использовались крайние отверстия щитовых стенок водосбросов вследствие их завышенной пропускной способности. В этом случае отверстия водозаборов в теле плотин заделывались суглинком на месте частично или полностью разобранных деревянных конструкций.

Во время Отечественной войны и спустя несколько лет после ее окончания вырабатываемая турбоагрегатами электроэнергия использовалась в народном хозяйстве. Однако после перехода на электроснабжение от государственных энергосистем, совпавшего по времени с прекращением строительства и эксплуатации сельских гидроэлектростанций, турбинные агрегаты демонтировались, а входные отверстия их водоводов либо использовались для водоснабжения, либо наглухо заделывались.

Многочисленные водохранилища после утраты своего энергетического значения превратились в важные источники хозяйственно-питьевого и производственного водоснабжения, особенно в военные и последующие годы – в связи с интенсивным развитием промышленности и сельского хозяйства Урала.

Возникшие благодаря созданию вододействующих заводов старые уральские города и поселки размещались на прилегающей территории в нижнем бьефе или (из эколого-эстетических соображений) на примыкающих к плотине берегах водохранилищ. Расположенные в центре жилых образований, эти водоемы до настоящего времени остаются важным элементом городского ландшафта, стержневой доминантой в архитектурной планировке и развитии.

Заводские водохранилища создавались на несудоходных реках. Однако в половодье многие из них использовались для транспортировки на судах готовой продукции заводов к р. Чусовой и далее по Каме, Волге и Оке в центр. Значительно протяженные по длине водохранилища, такие, как Кушвинское, Верх-Исетское, Нижнетуринское и др., использовались для пригородных и внутригородских перевозок на самоходных судах.

На Урале строились медеплавильные, доменные и передельные заводы. Как и под Москвой, на доменных заводах из железной руды выплавлялся чугун, на передельных же отлитые чугунные «штыки» перерабатывались в горнах в железо или в сталь – «уклад».

Местоположение металлургических заводов выбиралось в результате всестороннего изучения природных и социально-экономических условий района. Решаемый для этого комплекс вопросов хорошо излагался в грамотах 1697 г. князя Ивана Репнина и дьяка Л.Л. Виниуса, указаниями которых почти без изменений пользовались на протяжении последующих 200 лет.

Заводы строились недалеко от больших месторождений доброкачественной руды. Железную руду доставляли подводами обычно сразу из нескольких рудников. В первой половине XVIII в. последние могли находиться на расстоянии 10 – 20 км от завода, а позднее - на 70-75 км. Медную руду доставляли по рекам и на подводах даже за 200-350 км. Лес, из которого выжигался уголь на топливо и как компонент в металлургическом процессе, произрастал на Урале повсеместно и практически не влиял на выбор места для завода. Почти вся готовая продукция заводов отправлялась в центр. Из-за громадной удаленности и бездорожья наиболее доступным и дешевым видом транспорта был водный. Поэтому заводы обычно строили недалеко от рек, по которым хотя бы раз в году, в половодье, грузы можно было доставлять на Чусовую и далее по Каме, Волге, Оке в Москву. Лишь в начале XVIII в., когда рудные богатства Урала еще были недостаточно разведаны и использовалась руда ранее открытых месторождений, расстояние между заводами и Чусовой составляло сотню и более километров гужевого пути. Заселенность района и связанное с этим наличие на месте рабочих рук и продуктов питания имели важное, хотя и не решающее значение. Выбор заводской площадки, которая обычно имела небольшие размеры, а требования, предъявляемые к ее топографии, были несложными, не вызывал затруднений. Решающим образом на местоположение заводов влияла вода как источник энергии. Известная в то время только механическая передача вынуждала потреблять вырабатываемую водяными колесами энергию непосредственно на месте ее получения. Водяные колеса, как и на подмосковных заводах, приводили в действие меха для подачи воздуха в домны и горны, поднимали молоты для проковки расплавленных железных «штыков», рассверливали и обтачивали орудийные и оружейные стволы и т. д. Стоимость плотины с водопропускными сооружениями часто превышала стоимость самого завода, и удачная его работа зависела от количества «рабочей» воды в водохранилище. Поэтому створ плотины выбирался очень ответственно. Для выбора площадки под завод и плотину привлекались местные «заводчики-мастера», хорошо знавшие природные условия района и имевшие опыт создания мельничных плотин и прудов. На строительстве первых заводов и плотин работали опытные мастера с подмосковных заводов. Позднее строительством руководили местные «заводчики-мастера», накопившие опыт на вододействующих заводах.

Безостановочная работа завода зависела от запаса воды в водохранилище. Однако использовать водяных колес можно было только тот объем воды, который находился выше порога водозабора. По словам П.П. Аносова, «воду, находящуюся ниже порога, называют мертвою, а выше оного рабочею, ибо действующая вода есть токмо последняя». Увеличивать емкость водохранилищ за счет глубины из-за низкого уровня знаний и техники можно было только до известного предела. Как будет показано дальше, полезная глубина воды в водохранилищах не могла быть более 6,5-7,0 м. Поэтому полезный объем водохранилищ можно было увеличивать за счет площади водной поверхности подо льдом, который в суровые уральские зимы достигал в толщину 1,2 м. Предельная глубина и уральский рельеф позволяли создавать водохранилища емкостью в среднем 7 – 9 млн м³ при площади водной поверхности 2 – 3 км². Для этого использовались несудоходные в межень реки со средним расходом воды от 5 до 20 м³/с.

Строители-заводчики стремились создавать большие по производительности предприятия. Но из-за низкого уровня знаний того времени они не могли рассчитать заранее необходимый для этого объем водохранилищ. Во многих случаях объем водохранилищ не обеспечивал круглогодичную работу всех установленных водяных колес. Заводы иногда подолгу простаивали. Однако вскоре был найден выход из этого положения. Выше основного водохранилища устраивали запасное, попуски из которого обеспечивали более длительную работу водяных колес. Чтобы попуски из верхнего водохранилища не проходили вхолостую, при нем также строился завод, обычно в качестве вспомогательного к основному. Так, из-за недостатка воды на главном Каменском заводе в 3 км выше по течению, на той же речке Каменке, с 15 ноября 1703 г. по 21 ноября 1704 г. было создано Верхнекаменское водохранилище и передельный завод с двумя молотовыми. В 1722 г. на речке Уктусе, в 4 км выше Нижне-Уктусского завода, были созданы «для воды в запас к Уктусским нижним заводам и для ковки тонкого железа» Верхнеуктусское водохранилище и завод. В 1723 г. в результате грубого просчета нового начальника Уральских казенных заводов В. де Геннина на Екатеринбургском заводе было установлено 50 водяных колес, а созданное водохранилище имело такой небольшой объем, что «воды в нем достало бы не более, как на неделю времени, допустив полное действие». По аналогии выход из положения был найден посредством создания запасного водохранилища, для чего за летне-осенний сезон 1725 г. в 2,9 км выше Екатеринбургского завода была возведена Верх-Исетская плотина. При водохранилище был построен вспомогательный передельный завод с 6 молотами. Водохранилище неожиданно для де Геннина образовалось таких огромных размеров, что «и от того озера и запасной в нем воды Екатеринбургские все фабрики, при которых 50 колес, также и те цесаревны Анны (Верх-Исетский завод) заводы всегда в действии». Созданию на р. Исети большого водохранилища способствовала благоприятная топография речной долины: «На обе стороны плоская ситуация и береги ниские, также великие болота и луга на обоих сторонах реки имелись. Около оных болотов и лугов ниских – леса, огорожены горами». Этот и многие другие примеры определили принципы, которыми руководствовались при выборе места для создания водохранилищ. Створ плотины выбирался в наиболее узком месте речной долины, склоны которой выше по течению широко расходились в стороны, и река имела слабый уклон и течение. Позднее для уменьшения воздействия льда и волн на верховой откос и на водопропускные сооружения плотины створ стремились выбирать за изгибом долины, чтобы примерно в полуверсте был, «перехват горою или высоким мысом, защищающий плотину от ветренного штурма». Построенные на Урале заводские плотины имели небольшие, до 300 – 400 м, длину и объем,

В теле уральских плотин устраивалось два типа водопропускных отверстий, или «прорезов». Одни служили для сброса из водохранилища излишков воды, всегда появлявшихся в весеннее половодье (вешней воды), так как объем водохранилищ не позволял осуществлять многолетнее регулирование стока. Эти отверстия поэтому и назывались «вешняными прорезами» или «вешняками». Другие отверстия служили для забора воды из водохранилища и ее подачи на водяные колеса. Они, во избежание промерзания воды, сверху строились преимущественно закрытыми и назывались «рабочими прорезами» или «ларями». Все заводские плотины на Урале возводились за один строительный сезон, от конца весеннего половодья до наступления холодов или начала «санного пути».

С учетом организации пропуска строительных и эксплуатационных расходов водосбросы, или «вешняки», в плотинах всегда устраивались на месте русла реки. Подтверждением этому служит отсутствие каких-либо следов другого положения русла ниже плотин. Ни в одном документе не упоминается о работах по отрывке отводящих каналов за водосбросами и засыпке старого русла. С одной, а иногда и с обеих сторон водосбросов за плотиной располагались заводские цеха, возводившиеся, разумеется, на ненасыпных грунтах. Летне-осенние расходы воды при строительстве, очевидно, пропускались через «ларь» и отводящий канал от водяных колес. Местоположение водосброса и русла реки за плотиной относительно рельефа и застройки заводской площадки на всех старых уральских гидроузлах является оптимальным и в некоторых случаях единственно возможным. Вода через водосбросы сбрасывалась непосредственно в существующее русло реки.

На некотором удалении, с одной или с двух сторон от водосброса, в плотине устраивались рабочие водозаборы, или «лари». Их местоположение зависело от топографии заводской площадки и от количества устанавливаемых водяных колес. Чтобы увеличить полезный объем водохранилищ и продлить время действия водяных колес, порог водозаборов закладывался возможно ниже. Его заглубление ограничивалось соображением, чтобы между порогом и наивысшим уровнем воды в реке за плотиной по высоте оставалось расстояние не менее диаметра водяного колеса. Для приведения в действие заводских механизмов использовались верхнебойные, или «наливные», водяные колеса. По описанию В. де Геннина, «в ларях вода завсегда стоит вглубь с лишним на пять аршин и имеетца выше колес. И от такой великой тягости воды на колеса меньше потребно, ибо она из ларей на колеса идет сильно». Поэтому порог водозабора располагался несколько выше колес. Работа заводских механизмов обеспечивалась колесами для привода к молоту диаметром обычно около 3,6 м, для привода к воздуходувным мехам – от 4,5 до 5,4 м и шириной, или «разносом», 1,5 – 2,5 м. Мощность колес при этом составляла 12 – 20 л. с., а скорость вращения 4 – 8 об./мин. Позднее вследствие совершенствования эти показатели возросли соответственно до 20 – 40 л. с. и 9 – 20 об./мин. Если мощности одного колеса оказывалось недостаточно, то колеса спаривались и работали на один привод. И лишь в исключительных случаях, когда уровень воды в водохранилище снижался в течение года незначительно, ставились колеса больших диаметра и мощности. Так, на Екатеринбургском заводе, небольшое водохранилище которого постоянно пополнялось попусками из громадного Верх-Исетского, были поставлены два колеса диаметром 8,5 и шириной 2,1 м, мощность каждого из них достигала 60 л. с. После колес вода отводилась открытыми или закрытыми канавами в реку за плотиной. Канавы иди каналы занимали много места в цехах и на заводской территории, мешали расстановке оборудования и затрудняли действия рабочих.

Производственные процессы на заводах побуждали увеличивать скорость вращения и мощность водяных колес. Для достаточно производительной работы мехов, а затем воздуходувок требовалось 15 – 30 об./мин. молотов – 20 – 80 об./мин, появившихся позднее прокатных станов – 130 – 240 об./мин. Передаточные устройства увеличивали скорость вращения, а иногда и меняли его направление. Однако механические передачи сильно загромождали цеха и отбирали значительную долю мощности колеса. Увеличивать же диаметр и мощность колес удавалось лишь в исключительных случаях. Обычно использовалась вода полезного объема водохранилищ, глубина которого от порога водозабора до наивысшего уровня лимитировалась возможностью поднимать нижние щиты в щитовой стенке имеющимися в то время приспособлениями.

Водяные колеса и заводские цеха располагались по одну или обе стороны от водозабора. На крупных заводах водозаборов могло быть и два. Водозаборы и цеха могли располагаться и справа от водосброса (Быньговский, Верх-Исетский, Нижне-Сергинский заводы), и слева (Каменский, Уктусский, Полевской), и по обе стороны от него (Екатеринбургский, Выйский, Егошихинский). Компоновка старых уральских гидроузлов обуславливалась соображениями производственной целесообразности и топографией площадки завода, а не выбиралась по шаблону, согласно той или иной схеме. Водозаборы на заводах, построенных в первой половине XVIII в., располагались на небольшом удалении от водосбросов с целью устройства короткого отводящего канала от водяных колес. Это расстояние лимитировалось также размерами размещенных здесь заводских цехов и составляло в среднем 15 – 40 м. Позднее, примерно со второй половины XVIII в., заметное влияние на компоновку гидроузлов стали оказывать соображения безопасности. Случавшиеся во время пропуска максимальных расходов воды аварии на водосбросах приводили к промыву плотин и сносу нижерасположенных заводских цехов. Заводские цеха и водозаборы стали устраивать на более значительном удалении от водосбросов, чем оно требовалось по производственным и экономическим соображениям. Число водосбросов увеличивалось до двух, а иногда до трех и даже четырех. Их суммарная пропускная способность оказывалась завышенной, и многие щитовые отверстия бездействовали (табл. 15).

Таблица 15

Использование пропускной способности старых уральских водосбросов

Плотина	Год создания	Количество водосливных отверстий	Суммарная пропускная способность, м/с	Расчетный максимальный расход, м3/с
Невьянская	1701	1	117	110
Суксунская	1729	1	135	108
Верхнесергинекая	1743	]	184	100
Верхнесинячихинская	1769	1	173	130
Исинская	1775	1	222	130
Красногвардейская	1776	2	445	260
Верхнесысертская	1849	1	234	91