Гидрологическая безопасность ГЭС: просто о сложном

Почему испытываются трудности с пропуском Саяно-Шушенской ГЭС половодий и дождевых паводков, если расчеты выполнены для событий крайне малой вероятности, а фактические притоки воды пока не превышали средних величин? Почему выполняется холостой сброс воды даже в маловодные для Енисея годы? Ответ на эти вопросы следует искать, прежде всего, в нарушении требований СНиП при выполнении расчетов гидрологической безопасности гидроузлов:

Известно, что правила пишутся кровью. Строительные нормы и правила (СНиП) редактировались множество раз и, как правило, в сторону ужесточения требований к расчетам. И действующие ныне Правила нуждаются в ужесточении. Об этом я писал много раз, и вынужден сейчас писать снова.

Если расчеты пропуска половодий и дождевых паводков выполнены в строгом соответствии СНиП, то максимальный сбросной расход воды в нижний бьеф (расход через водосбросы + расход через турбины) для гидроузла 1-го класса может быть не чаще 1 раза за 10000 лет, и максимальная величина расхода вовсе не случайно в гидротехнике называется пиком, то есть мгновенным значением величины, когда расход сброса воды в нижний бьеф быстро снижается до величины расхода воды через турбины, а водосбросы прекращают работать.

Если расчеты пропуска половодий и дождевых паводков выполнены в строгом соответствии со СНиП, то в маловодные годы и годы средней водности, которые мы на практике обычно наблюдаем, холостой сброс воды возможен только при заполненном до нормального подпорного уровня (НПУ) водохранилище, если расход притока воды превышает расход воды через турбины. Как правило, такое бывает редко в поздние дождевые паводки.

Безопасность гидроузлов не должна зависеть от достоверности прогноза притока воды в водохранилища. Именно такой принцип заложен в основу расчетов гидрологической безопасности при строгом следовании строительным нормам и правилам. Стоит только чуть нарушить эти требования, как тут же регулирование стока попадает в полную зависимость от прогноза притока воды. А известно, что достоверность прогнозов низка.

Строительные нормы и правила, в частности СНиП 33-01-2003 п.5.4.4, предусматривают выполнение расчетов пропуска половодий и дождевых паводков редкой повторяемости хотя бы 1 раз за 10000 лет так, чтобы за счет аккумуляции объема притока воды в водохранилище пик сбросного расхода воды в нижний бьеф оказался кратковременным, а размыв русла и береговых склонов в нижнем бьефе гидроузла не угрожал разрушением основных сооружений, селитебных территорий и территорий предприятий, а такие последствия размывов могли быть устранены после пропуска половодья или дождевых паводков.

Более того, при выполнении расчетов строго по СНиП, создается основной резерв безопасности, заключающийся в заблаговременном начале холостого сброса воды с пониженного уровня водохранилища (еще до заполнения порожнего объема), а также дополнительный резерв безопасности, заключающийся в одновременном включении в работу всех турбин ГЭС при пониженном уровне воды в водохранилище, поскольку в расчетах учитывается работа части турбин.

Таким образом, при строгом следовании СНиП при расчетах пропуска половодий и дождевых паводков исключается зависимость безопасного пропуска расчетного притока воды через гидроузел от достоверности прогноза и гарантируется безопасность даже при катастрофическом притоке, то есть притоке выше принятого в расчетах.

Если приоритет отдается безопасности, то всегда можно обеспечить требования СНиП и гарантировать защиту жизни, здоровья и законных интересов людей, окружающей среды и хозяйственных объектов даже в крайне редких случаях, предусмотренных расчетами.

О нарушениях строительных норм и правил при создании гидроузлов на Енисее

Строительные нормы и правила нарушались на Енисее по самым различным причинам – как вполне осознанно, так и по недоразумению и недостаточно четкому их изложению. К наиболее значительным нарушениям требований строительных норм и правил при выполнении расчетов гидрологической безопасности на Енисее следует отнести:

• – нарушение последовательности возведения гидроузлов каскада и как следствие – незарегулированность стока со всеми вытекающими из этого нарушения последствиями;
• – оставление участков свободной реки в каскаде и как следствие – образование заторов и зажоров;
• – применение в расчетах преждевременного начала холостого сброса воды с пониженного уровня водохранилища и как следствие – полная зависимость регулирования стока от достоверности прогнозов притока воды в водохранилище и полное отсутствие резерва и гарантии безопасности.

Эти нарушения привели к применению в расчетах и перерасчетах способа создания дополнительной емкости водохранилища путем преждевременного начала холостого сброса воды с пониженного уровня водохранилища.

К основным причинам нарушений требований СНиП можно отнести:

• – недостаточную четкость некоторых важнейших формулировок, что приводит к двоякому толкованию важнейших требований СНиП;
• – отсутствие отдельной главы в СНиП, поясняющей необходимость системного подхода к расчетам гидрологической безопасности, например, на основе расчетного гидрографа половодья в виде давно известного треугольника Д.И.Кочерина ([1], стр.97), поясняющего суть самого понятия гидрологическая безопасность гидроузла и его нижнего бьефа;
• – отсутствие понятий основного и дополнительного резервов гидрологической безопасности, порядка их образования и необходимости постоянного сохранения в первоначальном размере;
• – отказ от использования гидрологических сведений для расчета времени начала, хода и окончания заполнения полезного объема водохранилища, могущих служить основным ориентиром для использования резервов безопасности;
• – отсутствие порядка, обязывающего выполнять независимую проверку соответствия первоначальных расчетов и последующих перерасчетов гидрологической безопасности гидроузла требованиям СНиП, действующим на момент проектирования и очередного перерасчета, а также после каждого изменения СНиП.

Например, расчеты пропуска расходов основного расчетного случая, обязаны выполняться только при достижении нормального подпорного уровня (НПУ), а расчеты пропуска расходов поверочного расчетного случая только при достижении форсированного подпорного уровня (ФПУ). Но в первом случае допускается выполнять расчеты и при превышении НПУ, но в тексте правил слово “как правило” можно понять как разрешение выполнять расчеты при начале холостого сброса воды с пониженного уровня водохранилища.

Понять причины нарушений СНиП можно только при системном подходе к выполнению расчетов гидрологической безопасности, пользуясь, например, простой и наглядной схемой в виде давно известного гидротехникам треугольника Д.И.Кочерина.

Схема треугольника одновременно может служить расчетным гидрографом и схемой замещения уравновешенной на максимальных расчетных параметрах системы, в составе которой на входе максимальные расчетные параметры притока воды с площади водосбора, внутри – объем водохранилища и средний надежно гарантированный расход и объем воды через турбины, а на выходе – максимальные расчетные параметры водосброса и турбин (схемы выдачи мощности ГЭС), то есть максимальный параметр нижнего бьефа.

Поскольку система уравновешена на максимальных расчетных параметрах, то, естественно, нельзя понизить параметр на выходе, не понизив параметр на входе системы. Внутри системы возможно только замещение одного параметра другим. Примером такого замещения мог стать береговой водосброс Саяно-Шушенского гидроузла (так и задумывалось сделать), но только в случае строгого соблюдения требований СНиП.

Эта расчетная схема предусматривает наличие в расчете только одной величины, определяемой по теории вероятностей. Все остальные параметры расчета (объем, расход, время) заранее известны или рассчитаны по заранее известным параметрам. Тем самым исключается зависимость пропуска половодий и дождевых паводков от прогноза притока воды.

Принято считать, что гидрологические сведения для створа позволяют выяснить возможные режимы работы водохранилища, но не могут установить будущий календарный срок наступления того или иного режима.

Но гидрологические сведения для створа позволяют рассчитать время заполнения порожнего объема водохранилища и построить график, по форме подобный кривой обеспеченности притока, в том числе рассчитать минимальное время заполнения, которое становится ориентиром для определения катастрофического притока воды и начала использования резерва безопасности.

Следует особо подчеркнуть, что расчетное время заполнения объема водохранилища можно определить только при строгом соблюдении требований СНиП. Параллельное протекание трансформации расхода притока воды в объеме водохранилища и непредсказуемого холостого сброса воды с пониженного уровня водохранилища, исключает эту возможность.

Параллельное с холостым сбросом воды протекание трансформации расхода притока воды в объеме водохранилища сокращает расчетную длительность половодья на Енисее до 30 суток (фактическая длительность до 45 суток), увеличивает длительность периода максимального сбросного расхода и повышает вероятность больших разрушений в водосбросе и нижнем бьефе.

В Декларациях безопасности гидротехнических сооружений есть все, кроме анализа соответствия требованиям СНиП первоначальных расчетов пропуска половодий и дождевых паводков и их последующих перерасчетов в связи с авариями и изменением требований СНиП.

Декларации безопасности также не учитывают снижение гидрологической безопасности, допущенные после ввода сооружений в эксплуатацию. К таким нарушениям можно отнести:

• – опорожнение водохранилища сезонного регулирования к началу половодья до уровня, значительно превышающего уровень мертвого объема (УМО), хотя в расчете трансформации расхода притока воды учтен весь полезный объем водохранилища;
• – произвольное, не соответствующее требованиям СНиП, определение нормального подпорного уровня (НПУ), форсированного подпорного уровня (ФПУ);
• – начало заполнения полезного объема водохранилища при расходе притока воды ниже гарантированного среднего расхода воды через турбины, учтенного в расчете;
• – отсутствие возможности выдачи всей установленной мощности ГЭС, зависимость выдачи установленной мощности от надежности работы энергоемких производств, отсутствие надежных связей крупных ГЭС через энергосистему, несмотря на то, что в расчетах учитывается одновременная работа всех турбин ГЭС;
• – бесконтрольную застройку водоохранных зон в нижнем и верхнем бьефах после выполнения всех согласований НПУ, ФПУ, максимального сбросного расхода воды в нижний бьеф и ввода сооружений в эксплуатацию.

Если к нарушениям Правил при выполнении расчетов гидрологической безопасности и нарушениям после ввода сооружений в эксплуатацию добавляются аварии, то снижение гидрологической безопасности гидроузлов и их нижних бьефов происходит одновременно по двум направлениям: снижаются основные параметры (объем для аккумуляции притока воды, расход воды через водосброс и турбины, сбросной расход воды в нижний бьеф и т.д.) и используется резерв безопасности.

Проектировщики СШГЭС не без гордости поясняют, что:

– “глубинные водосбросы в условиях достаточно емкого водохранилища с годичным регулированием стока реки позволяют производить планируемые сбросы расходов половодья при пониженных уровнях верхнего бьефа. К моменту прохождения пика половодья водохранилище располагает достаточной резервной емкостью, позволяющей уменьшить сбрасываемый через гидроузел расход;

– при чрезвычайных обстоятельствах глубинные водосбросы обеспечивают сработку водохранилища Саяно-Шушенской ГЭС почти на 60 м;

– в варианте с поверхностными водосбросами зарегулированный расход в нижний бьеф, включая и турбинные расходы ГЭС, составляет 21600 м³/с при естественном притоке в водохранилище 25300 м³/с. Увеличение сбросных расходов в нижний бьеф СШГЭС более чем на 5000 м³/с могло привести к существенному повышению уровней в нижнем бьефе и повлечь за собой увеличение объемов работ по переустройству и защите городов Абакана и Минусинска, жилых поселков и промышленных предприятий” [2], стр.17,18.

Наличие поверхностного водосброса не позволяет выполнять холостой сброс воды с пониженного уровня водохранилища (нарушать требования СНиП) и гарантировать санитарный и судоходный попуски при уровне воды ниже порогов водосброса, поэтому от него отказались.

Наиболее гибкая схема получается при наличии двух типов водосбросов: водосброса с глубинным водозабором для гарантии санитарного и судоходного попусков в случае остановки всех турбин ГЭС и водосброса с поверхностным водозабором. Но расчет пропуска половодий и дождевых паводков при наличии водосбросов двух типов все равно должен предусматривать начало холостого сброса воды только при достижении НПУ как это требуют СНиП. Такая схема внедрена на Богучанском гидроузле.

Один из вариантов проекта Саяно-Шушенской ГЭС при полезном объеме водохранилища 15,3 км³ предусматривал гребень плотины на уровне 544,0 м и создание двух водосбросов левобережного и правобережного каждый с тремя водосливами практического профиля шириной по 8 м и 4 отверстиями шириной по 6 м с глубинным водозабором и порогами на уровне 465,0 м, рассчитанных на пропуск 15500 м³/с. Расчетный максимальный сбросной расход воды в нижний бьеф достигал 19100 м³/с при обеспеченности 0,1%, [3], стр.244 – 246. К сожалению, этот вариант не был принят.

Схема использования гидроэнергетических ресурсов реки Енисей для Красноярского гидроузла предусматривала НПУ 255 м, проектное задание разрабатывалось по двум вариантам, в том числе с НПУ 255 м, при котором затапливался город Абакан и многие другие поселения. Но утвердили НПУ 243 м при условии продолжения гидротехнического строительства в верховье. Нижний бьеф к началу строительства Красноярского гидроузла уже был застроен на максимум сбросного расхода 10000-12000 м³/с, но пропускная способность гидроузла была рассчитана почти с двойным запасом на 20000 – 22000 м³/с.

Окончательное решение по нормальному подпорному уровню Красноярского гидроузла принималось под гарантию продолжения гидротехнического строительства в верховье.

В 1972 году я участвовал в работе гидротехнической секции Государственной комиссии по приемке гидроузла в эксплуатацию и в числе 28 ее членов подписал Заключение гидротехнической секции. В том числе обсуждалась проблема безопасного пропуска половодий и дождевых паводков.

Тогда все были уверены в том, что гидротехническое строительство в верховье Енисея и на реках Абакан и Туба будет продолжено и безопасность гидроузла будет гарантирована. Саяно-Шушенский гидроузел уже строился и по плану Минэнерго Сейбинский и Уюкский гидроузлы на Большом Енисее в Туве должны были начать строить в 1975 году. Но планам не суждено было сбыться.

Днепр и Волгу тоже начинали осваивать с нарушением требований СНиП, но на это шли осознанно: Днепровский гидроузел первоначально построили с большим запасом пропускной способности более 40000 м³/с, а позже за счет водосливных пролетов построили ДнепроГЭС II. Куйбышевский гидроузел построили с еще большим запасом пропускной способности 88000 м³/с, а сейчас она на треть стала лишней. Об использовании этого опыта в Китае я тоже писал.

Ленгидропроект не мог не знать, что гидротехническое строительство ранее осуществлялось с большим риском для нижних бьефов, ему следовало сразу открыто заявить, что снижение сбросного расхода воды в нижний бьеф возможно только при продолжении гидротехнического строительства в верховье в Туве.

Вполне закономерен вопрос: почему испытываются трудности с пропуском Саяно-Шушенской ГЭС половодий и дождевых паводков, если расчеты выполнены для событий крайне малой вероятности, а фактические притоки воды пока не превышали средних величин? Почему выполняется холостой сброс воды даже в маловодные годы? Ответ на эти вопросы следует искать, прежде всего, в нарушении требований СНиП при выполнении расчетов гидрологической безопасности гидроузлов.

Саяно-Шушенский гидроузел действительно может пропустить 19000 м3/с, а при заполнении водохранилища до уровня 544,5 м вместе с турбинами даже больше 20000 м3/с. Но что будет с сооружением и нижним бьефом при этом?

Генеральный директор Саяно-Шушенской ГЭС В.И.Брызгалов подчеркивал, что у гидроузла нет запаса надежности, Е.А.Долгинин и К.К.Кузмин также пишут об этом. А ведь этот запас появляется только тогда, когда расчеты пропуска половодий и дождевых паводков выполнены строго в соответствии требованиям строительных норм и правил. И этот запас заключен в холостом сбросе воды с пониженного уровня водохранилища. А он уже заведомо использован в расчетах. В этом все дело. Почему об этом молчат те, которые по долгу службы обязаны не просто говорить об этом, а доказывать необходимость исправления нарушений Правил?

В.И.Брызгалов писал:

“Долгосрочный прогноз приточности исходит лишь из снегозапасов и в полной мере не учитывает метеорологические условия, поэтому оценка приточности может оказаться заниженной, и тогда требование заблаговременности холостых сбросов может быть не выполненным. Например, за 12 лет (1984-1996 гг.) из-за ошибок прогноза на Саяно-Шушенской ГЭС производились холостые сбросы воды в течение 9 лет, хотя фактический годовой приток ни в одном году этого периода не превышал 30% обеспеченности” [4], стр.148,149.

Иначе говоря, применение в расчетах способа создания дополнительной емкости водохранилища за счет преждевременного холостого сброса воды – это мыльный пузырь.

Я, в отличие от лиц, рассуждающих, сидя в кабинете, о безопасности Саяно-Шушенского гидроузла, самым непосредственным образом участвовал в пропуске половодий и дождевых паводков на Красноярском гидроузле в 1966 и 1967 годах и на Саяно-Шушенском гидроузле в 2006 году. Напомню, что эти годы были наиболее многоводными, но с точки зрения расчетов гидрологической безопасности относятся к годам не выше средней водности.

А теперь представим себе положение человека, который своей головой отвечает за безопасный пропуск в нынешних условиях. Уровень водохранилища Саяно-Шушенской ГЭС уже достиг 510 м, в июне средний (подчеркиваю – средний за месяц) расход притока может составить 12000 – 12500 м³/с (в июне 1916 года составлял 9000, в июне 1936 года – 8330, в июле 1936 года – 4750, в июне 2006 года- 5580, в июле -6230 м³/с). Отрицать такое может только человек, далекий от гидрологических расчетов. Ведь вся беда в том, что реальные возможности площади водосбора обязывали иметь водохранилище СШГЭС в два раза большего объема.

При уровне 510 м эксплуатационный водосброс может пропустить 9100 м³/с (береговой водосброс не работает), далее растет и при уровне 527 м пропускает – 11400 м³/с, береговой – только 300 м³/с. А по расчету для полной гарантии безопасности, чтобы не превысить ФПУ 540 м (это запрещено законом!), необходим средний сбросной расход воды в нижний бьеф 13300 м³/с в течение всех 30 суток.

Длительная работа водосброса Саяно-Шушенской ГЭС с максимально возможной по напору нагрузкой и невозможностью хоть как-то влиять на режим пропуска воды через сооружение не дают права говорить о безопасности самих сооружений и тем более безопасности нижнего бьефа СШГЭС. Наконец, есть Закон, обязывающий обеспечить защиту жизни, здоровья и законных интересов людей, окружающей среды и хозяйственных объектов даже в крайне редких случаях.

Думаю, для меня приходит пора прекращать доказывать свою правоту – теперь виновным лицам придется отвечать за дезинформацию населения и руководства страны.

Владимир Иннокентьевич Бабкин,
заместитель генерального директора Саяно-Шушенской ГЭС (1978 – 2001 гг.), участник создания и эксплуатации всех гидроузлов на Енисее с 01.06.1962 года (50 лет с гидроэнергетикой!)

Список использованной литературы:

[1] Под редакцией Д.С. Щавелева, “Использование водной энергии”, Энергия, Ленинград, 1976г.

[2] А.И.Ефименко, Г.Л.Рубинштейн “Водосбросные сооружения Саяно-Шушенской ГЭС”. СПб: Изд-во ОАО «ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева», 2008.

[3] “Гидроэлектростанции Советского Союза”, Часть 1, Справочник, типография института Гидропроект, М., 1967г.

[4] В.И.Брызгалов “Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций”, Сибирский издательский дом”Суриков”, Красноярск, 1999

[5] В.И.Бабкин “О проектировании, строительстве и эксплуатации гидроузлов на Енисее. Расчеты гидрологической безопасности гидроузлов”, Москва, 2010 год.