Как была создана видимость благополучия в ситуации с ГЭС на Енисее

Красноярское водохранилище эксплуатируется в режиме многолетнего регулирования, то есть к началу половодья его уровень понижается до отметки 230,0 м (сохраняется запас воды на случай маловодного года). А расчеты максимального сбросного расхода воды в нижний бьеф Красноярской ГЭС, равного 20600 м³/с, предусматривали опорожнение водохранилища к началу половодья до уровня мертвого объема (УМО) 225,0 м. Вывод напрашивается сам собой: необходимо снижать максимальный расчетный сбросной расход воды в нижний бьеф расположенной выше по течению Саяно-Шушенской ГЭС до 7000 м³/с. Другого решения просто не может быть:

Для гидротехнического строительства в нашей стране наступили не лучшие времена. Плотины и водохранилища без достаточного на то основания признаются нарушающими экологию, изымающими у хозяйственной деятельности земли, в том числе покрытые лесом. На практике земля во многих случаях никак не используется, леса хищнически вырубаются или горят. Борьба с пожарами в отдаленных необжитых горных территориях затруднена, в том числе из-за отсутствия водохранилищ и малой эффективности применения специальной авиации.

Между тем, международное научное сообщество вынуждено признать учащение стихийных природных явлений, связанных с повышенными и пониженными осадками в виде дождя и снега. Наводнения, засуха и лесные пожары становятся обыденными явлениями.

1. Причины занижения емкостей водохранилищ

По моему глубокому убеждению, основной причиной сложившегося тяжелейшего положения на Енисее является создание заниженных порожних полезных объемов водохранилищ, не способных снижать сбросные расходы воды до величин, безопасных для нижних бьефов гидроузлов.

Первоочередные створы на Енисее определялись путем технико-экономических расчетов. Вне конкуренции оказались створы, обеспеченные инфраструктурой, потребителем электроэнергии и расположенные вблизи крупных городов.

В Правилах никогда не было прямого указания создавать гидроузлы согласно утвержденной схеме использования водных ресурсов реки от истока к устью. Было принято считать, что для выполнения полного годичного регулирования необходима порожняя емкость водохранилища, составляющая 40-60 % среднемноголетнего стока воды. Но и эта рекомендация не выполнялась.

Например, в створе Саяно-Шушенского гидроузла по состоянию на 2006 год среднемноголетний сток воды составил 47,13 км³. Это означает, что порожняя емкость Саяно-Шушенского водохранилища должна была составлять от 47,13? 0,4 = 18,85 км³ до 47,13? 0,6 = 28,28 км³, но не менее среднего значения 23,56 км³. Сейчас порожняя емкость Саяно-Шушенского водохранилища составляет 15,3 км³.

Примерно 3 км³ ранее созданной порожней емкости водохранилища, расположенной выше форсированного подпорного уровня (ФПУ) 540,0 м, с 1997 года заполнять запрещено, поскольку плотина окажется перегруженной. Это беспрецедентный случай в мировой практике.

2. Основной расчетный случай при проектировании водохранилища

Положение оказалось критическим, когда при выполнении расчетов пропуска притока воды ежегодной вероятностью превышения 0,1% (основной расчетный случай) для снижения сбросного расхода воды в нижний бьеф Саяно-Шушенского гидроузла проектная организация применила холостой сброс воды при заполнении ранее заниженной порожней полезной емкости водохранилища.

Чрезвычайно важный вывод был сделан еще в 1986 году на научно-технической конференции, которая обсуждала проблемы Саяно-Шушенского гидроэнергетического комплекса:

“В процессе строительства схема пропуска расходов уточнялась, и продолжительность работы водобойного колодца увеличивалась. Это привело к отрицательным последствиям, оценить заблаговременно которые не представлялось возможным”([1],стр.10).

Отрицательные последствия применения холостого сброса воды при выполнении расчетов заключаются как минимум в двойном снижении гидрологической безопасности гидроузла, а именно:

• – ранее заниженная полезная емкость водохранилища оказалась дополнительно заниженной на 5,75 км³, то есть на величину объема холостого сброса воды;
• – максимальный расчетный сбросной расход воды в нижний бьеф гидроузла при пропуске притока ежегодной вероятностью превышения 0,1% (основной расчетный случай) оказался заниженным;
• – гидроузел на весь длительный срок службы лишился основного резерва на непредвиденные обстоятельства (аварии, отказы в работе оборудования и т.п.), которым мог быть только холостой сброс воды в период заполнения полезной емкости водохранилища;
• – холостой сброс воды стал обязательным даже при обеспеченности притока более 5%;
• – регулирование стока оказалось в полной зависимости от прогнозов притока воды;
• – была создана иллюзия благополучия при пропуске высоких вод, которая до сих пор препятствует вскрытию допущенных ошибок и реализации мер по повышению гидрологической безопасности гидроузлов и их нижних бьефов.

Только после катастрофы Саяно-Шушенской ГЭС пришло частичное понимание необходимости оборудовать все высоконапорные гидроузлы водосбросными устройствами, способными функционировать в любых возможных гидрометеорологических условиях и во всем диапазоне изменения уровней водохранилищ.

Таким условиям удовлетворяют водосбросы с глубинным водозабором и донные водоспуски, но они на многих гидроузлах отсутствуют или не способны работать при всех изменениях уровней в водохранилищах.

Емкость водохранилища названа полезной именно потому, что при максимальном расчетном расходе притока воды ежегодной вероятностью превышения 0,1% (основной расчетный случай) должна заполняться при среднем надежно гарантированным расходе воды через турбины без выполнения холостого сброса воды.

К великому сожалению, отсутствует понимание того, что при выполнении расчетов полезной емкости водохранилища нельзя использовать холостой сброс воды, поскольку гидроузел лишается основного резерва гидрологической безопасности, а регулирование стока оказывается в полной зависимости от прогнозов притока воды.

Например, Красноярский гидроузел не имеет водосброса с глубинным водозабором, а водосброс Зейского гидроузла не может работать при низких уровнях воды в водохранилище.

3. Поверочный расчетный случай при проектировании водохранилища

Следующая причина кроется в занижении порожней резервной емкости Саяно-Шушенского водохранилища и в ошибках ее использования.

Смысл создания резервной емкости водохранилища заключался в том, чтобы при пропуске расходов притока воды ежегодной вероятностью превышения менее 0,1% и до 0,01% + ? (поверочный расчетный случай) не превышался максимальный расчетный сбросной расход воды в нижний бьеф основного расчетного случая 0,1%.

В этих целях резервная емкость обязана была временно задерживать при своем заполнении и опорожнении разницу объема притока воды ежегодной вероятностью превышения менее 0,1% и до 0,01% + ? и 0,1%, то есть заполняться и опоражниваться при максимальном расчетном сбросном расходе воды в нижний бьеф основного расчетного случая 0,1%.

Например, эта разница объемов притока воды в Саяно-Шушенское водохранилище составляет 8,2 км³, то есть резервная емкость должна быть равной 4,1 км³. А сегодня она практически отсутствует и составляет всего 0,62 км³.

На практике заниженные резервные емкости водохранилищ используются как простая добавка к полезной емкости, то есть ее заполнение происходит со сбросным расходом воды в нижний бьеф, увеличивающемся с ростом уровня и напора в 1,5-2 раза по сравнению со сбросным расчетным расходом основного расчетного случая.

Например, Саяно-Шушенский гидроузел при достижении ФПУ 540,0 м пропускает 19190 м³/с, тогда как максимальный расчетный сбросной расход воды при пропуске притока ежегодной вероятностью превышения 0,1% (основной расчетный случай) не должен превышать 7000 м³/с и его превышать нельзя.

4. Почему для СШГЭС пропускная способность 19190 м³/с опасна

Достаточность малого размера порожней емкости Саяно-Шушенского водохранилища проектная организация обосновывает увеличением пропускной способности гидроузла до 19190 м³/с и даже выше.

Исключить перегрузку плотины решено за счет увеличения сбросного расхода воды в нижний бьеф СШГЭС до 19190 м³/с, тогда как при сбросном расходе воды более 7000 м³/с уже начинаются подтопления объектов в нижнем бьефе гидроузла.

Пороги водосброса Майнского гидроузла расположены на уровне 319,0 м. При уровне воды 322,0 м пропускная способность водосброса составляет 5000 м³/с, а с расходом воды через турбины ГЭС – 7000 м³/с, при уровне 324,8 м – 10260 м³/с, при ФПУ 326,7 м – 13300 м³/с. В первом случае у поселка Черемушки уровень водохранилища повышается до уровня начала подтопления 324,6 м, во втором до 327,8 м, а в третьем до 328,5 м (на 3,9 м выше начала подтопления).

При максимальном сбросном расходе 19190 м³/с в нижний бьеф Саяно-Шушенского гидроузла неминуемо разрушается плотина Майнского гидроузла, а весь нижний бьеф СШГЭС затапливается. Почему существует большая вероятность такого высокого расхода?

Расчетный сбросной расход 7000 м³/с в нижний бьеф Саяно-Шушенского гидроузла при пропуске притока ежегодной вероятностью превышения 0,1% (основной расчетный случай) по расчетам проектной организации достигается только при достоверном прогнозе притока воды и начале холостого сброса воды 20 мая с уровня 520,0 м.

Достоверность притока воды в половодье не превышает 70%, а дождевые паводки не прогнозируются, например, как в Благовещенске.

К примеру, в 2006 году прогноз притока оказался заниженным, поэтому холостой сброс воды был начат на месяц позже. В результате при обеспеченности притока около 1% сбросной расход воды в нижний бьеф Саяно-Шушенской ГЭС уже достигал 7700 м³/с.

Максимальный расчетный сбросной расход 13300 м³/с при пропуске притока ежегодной вероятностью превышения 0,01% + ? (поверочный расчетный случай) достигается только при достоверном прогнозе притока воды и начале холостого сброса воды СШГЭС 20 мая с уровня 510,0 м.

При заниженном прогнозе притока воды и задержке начала холостого сброса воды велика вероятность максимального сбросного расхода 19190 м³/с в нижний бьеф Саяно-Шушенского гидроузла с непредсказуемыми последствиями для самого гидроузла и его нижнего бьефа.

5. Почему нижний бьеф Саяно-Шушенского гидроузла оказался подпертым

Гидроэлектростанции как наиболее маневренный источник электроэнергии и мощности обязаны участвовать в первичном и вторичном регулировании параметров энергосистем, то есть резко изменять расход воды через турбины. Резкое изменение расхода воды приводит к повышению уровней и затоплениям в результате возникновения заторов и зажоров.

По этой причине в нижних бьефах высоконапорных гидроузлов стали создаваться так называемые контррегулирующие гидроузлы с водохранилищами малой емкости, повышающими равномерность расхода воды в нижний бьеф.

Их создание должно было происходить после снижения максимального расчетного сбросного расхода в нижний бьеф вышерасположенного гидроузла, но такого правила или рекомендации не существовало. Исключали одну проблему и создавали другую.

Не была учтена особенность малых водохранилищ, заключающаяся в резком повышении уровня до максимума и его длительном сохранении при пропуске высоких вод через вышерасположенный гидроузел, регулирование стока на котором осуществляется путем длительного холостого сброса воды.

6. Что говорит наука о нынешнем состоянии гидроузлов

Один из авторов корректировки нормативов (СНиП, СП, ПИВР) в статье [2] подчеркивает, что:

• – проекты Саяно-Шушенского, Красноярского, Братского, Усть-Илимского, Волжского, Саратовского и Волгоградского гидроузлов изначально не предусматривали уменьшения регулярных затоплений в нижних бьефах;
• – пропускная способность их водосбросных сооружений чрезвычайно велика и позволяет пропустить транзитом, то есть без превышения отметки нормального подпорного уровня (НПУ) максимальные расходы воды вероятностью превышения 1-0,1%;
• – лишь в экстремально высокие половодья и паводки проектами предусмотрена срезка максимального приточного расхода и форсировка (сверх отметки НПУ) уровня верхнего бьефа.

Более того, в «Основных правилах использования водных ресурсов» ряда крупных водохранилищ и в директивных документах Минэнерго СССР указывалось, что форсировка (превышение) уровня водохранилища выше НПУ допускается только при исчерпании пропускной способности всех водосбросных устройств гидроузла.

Комментарии, как говорится, излишни.

7. Что и почему получили в итоге принятия ошибочных мер

Таким образом, дефицит порожней емкости Саяно-Шушенского водохранилища при сохранении НПУ 539,0 м и ФПУ 540,0 м составляет 5,75 + 4,1 – 0,62 = 9,23 км³. Вероятность максимального сбросного расхода воды 19190 м³/с чрезвычайно высока.

Такое снижение гидрологической безопасности произошло вовсе не случайно, а в соответствии с существующими, вне всякого сомнения, ошибочными нормативами проектирования и эксплуатации водохранилищ и гидроузлов с ГЭС. Все последующие меры повышения гидрологической безопасности на практике снижали ее.

Вместо очевидного временного задержания до октября в верховье в Туве 9,23 км³ излишнего объема притока воды сначала делалась ставка на увеличение высоты плотины СШГЭС на 3 м для создания дополнительной порожней емкости водохранилища. Затем создается подпор нижнего бьефа Майнской плотиной. Затем путем создания дополнительного берегового водосброса не только восстанавливается прежняя пропускная способность гидроузла, достигающая 17040 м³/с, но создается значительно его превышающая пропускная способность 19190 м³/с.

Сейчас проектируется дополнительный водосброс для Майнского гидроузла, пропускная способность которого должна быть выше 19190 м³/с. Нижний бьеф Майнского гидроузла не готов на пропуск расхода 19190 м³/с и на всем протяжении до Красноярского водохранилища нуждается в расчистках русла реки, в создании новых и реконструкции старых инженерных защитных сооружений.

Красноярское водохранилище эксплуатируется в режиме многолетнего регулирования, то есть к началу половодья его уровень понижается до отметки 230,0 м (сохраняется запас воды на случай маловодного года).

А расчеты максимального сбросного расхода воды в нижний бьеф Красноярского гидроузла, равного 20600 м³/с, предусматривали опорожнение водохранилища к началу половодья до уровня мертвого объема (УМО) 225,0 м.

Вывод напрашивается сам собой: необходимо снижать максимальный расчетный сбросной расход воды в нижний бьеф Саяно-Шушенского гидроузла до 7000 м³/с. Другого решения просто не может быть.

Литература:

[1] Решение проблем Саяно-Шушенского гидроэнергокомплекса. Материалы научно-технической конференции 1986 года, Ленинград, Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1987.

[2] Асарин А.Е. Речные наводнения: причины и последствия. Что можно и нужно сделать?

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,
специально для "Плотина.Нет!"