Байкал нуждается в экстренной помощи

Для подъема минимального уровня Байкала в маловодный период наиболее эффективным мероприятием следует признать создание бетонной водосливной плотины непосредственно в истоке реки Ангары, считает бывший заместитель генерального директора Саяно-Шушенской ГЭС Владимир Бабкин:

В естественных условиях сток верхнего течения Ангары характеризовался высокой степенью зарегулированности: расходы в наиболее многоводный месяц (сентябрь) были всего в 2 раза больше стока самого маловодного месяца (апреля). Величина расходов колебалась вместе с изменением уровня воды в Байкале.

После создания Иркутского водохранилища при уровне воды у плотины 454,0 м усл. (453,48 м БС) и выше подпор стал распространяться до озера Байкал. Расход воды в истоке стал изменяться по кривым, начала которых соответствуют уровням воды у плотины, указанным на оси ординат (рисунок 1).

Величину расхода воды в истоке при различном уровне воды у плотины стали определять на оси абсцисс путём следующего построения: из точки на оси ординат, соответствующей уровню воды в озере, проводится горизонтальная линия до пересечения с кривой, начало которой соответствует уровню воды у плотины. Из полученной точки пересечения проводится вертикальная линия до пересечения с осью абсцисс. Точка пересечения на оси абсцисс соответствует величине расхода воды в истоке.

Рисунок 1: Графики зависимости расходов воды в Иркутское водохранилище от уровней воды в озере Байкал в истоке и уровней верхнего бьефа Иркутского гидроузла.

Для обеспечения максимальной пропускной способности истока реки Ангары из озера Байкал уровень воды у плотины Иркутского гидроузла в это время должен поддерживаться минимально возможным на отметках 453,00 м усл. ± 0,20 м (452,59 м БС ± 0,20 м) – нижняя кривая на рисунке 1.

1. О расчётах Московского государственного университета природообустройства, обосновывающих амплитуду колебаний уровней озера 2,31 м

Наглядное представление о влиянии уровня воды у плотины на расчёт пропуска притока ежегодной вероятностью превышения 0,01% c г.п. может дать «основной» вариант регулирования (W_V–X = 126,5км³, W_V–I = 129,9 км³), разработанный для включения в правила использования водных ресурсов озера Байкал, показанный на рисунке 2.

Рисунок 2 – «основной» вариант регулирования

В течение двух декад мая средний расход притока не превышает расход сброса, который поддерживается за счёт высокого уровня у плотины, поэтому уровень воды в озере начинает расти только в начале третьей декады мая.

С третьей декады мая до конца первой декады июня расход сброса за счёт повышения расхода притока, повышения уровня воды в озере и одновременного резкого снижения уровня у плотины резко возрастает до 4000 м³/с.

Со второй декады июня по конец августа исключительно за счёт принятого двухвершинного расчётного гидрографа средний расход притока воды снижается. Из-за большой разницы уровней в озере и у плотины сбросной расход сохраняется на уровне 6000 м³/с. Именно по этим причинам амплитуда изменения уровней воды в озере снижается до 458,02- 456,14 = 1,88 м (таблица 1).

Суть «противопаводкового» варианта регулирования (рисунок 3) состоит в том, что до достижения в озере Байкал отметки уровня воды 456,21 м усл. водохранилище работает в «естественном» режиме, то есть сбросы определяются пропускной способностью истока реки Ангары. После достижения отметки 456,21 м усл. и до отметки 457,54 м усл. сброс в нижний бьеф устанавливается равным 2800 м³/с исключительно благодаря двухвершинному расчётному гидрографу притока воды.

Рисунок 3 – «противопаводковый» вариант регулирования

При превышении отметки 457,54 м усл. сброс назначается равным 6000 м³/с. В итоге, благодаря принятию двухвершинного расчётного гидрографа, амплитуда изменения уровней воды в озере не превысила 457,83 – 455,5 = 2,33 м (таблица 1).

Ни один из вариантов расчётов пропуска половодий и паводков редкой повторяемости через Иркутский гидроузел (таблица 1), несмотря на применение двухвершинного расчётного гидрографа, из-за ограничения пропускной способности истока реки Ангары не обеспечивает выполнение требований постановления «О предельных значениях уровня воды в озере Байкал …».

Выполнение требования по ограничению максимального среднего уровня воды озера Байкал отметками 456,00 м усл. – 457,00 м усл. невозможно физически из-за ограниченной естественной пропускной способности истока реки Ангары при указанных отметках, которая находится в пределах 2500 – 4500 м³/с.

Таблица 1

Установленная постановлением метровая призма регулирования озера является не только противоестественной, но и представляет угрозу безопасности для города Иркутска.

Для включения в проект ПИВР предлагается «основной» вариант регулирования (таблица 1) и «основной» вариант диспетчерского графика (рисунок 5), обеспечивающие наименьший расчетный диапазон колебания уровня озера Байкал за счет большей сработки речной части водохранилища и снятия подпора с истока Ангары (увеличения его пропускной способности).

Рисунок 5

В пределах зоны VII этого диспетчерского графика суммарный сбросной расход в нижний бьеф гидроузла ограничивается пропускной способностью Иркутского гидроузла, истока реки Ангары и пропускной способностью нижнего бьефа. Для обеспечения максимальной пропускной способности истока реки Ангары из озера Байкал уровень воды у плотины Иркутского гидроузла в это время должен поддерживаться на отметках 453,00 м усл. ± 0,20 м (452,59 м БС ± 0,20 м).

В зависимости от уровня воды в озере Байкал сбросной расход через Иркутский гидроузел должен составлять: при отметках ниже 456,50 – 457,00 м усл. (455,98 – 456,48 м БС) – 3600-4700 м³/с; при отметках в диапазоне 457,00-457,23 м усл. (456,48-456,71 м БС) – 4700-5250 м³/с; при отметках в диапазоне 457,23-457,34 м усл. (456,71-456,82 м БС) – 5250-5500 м³/с; при отметках выше 457,34 м усл. (456,82 м БС) – 5500-6000 м³/с.

Регулирование режима работы Иркутского гидроузла по диспетчерскому графику осуществляется в соответствии с интервалами регулирования, которые рекомендуется принимать равными одной декаде в период с мая по сентябрь (начинающиеся с 1, 11 и 21 числа каждого календарного месяца) и один календарный месяц в остальное время.

В период пропуска максимальных расходов воды при высокой интенсивности наполнения водохранилища и интенсивном росте притока воды к водохранилищу интервал регулирования назначается равным 5 суткам.

Расчёты московского университета опираются на самую высокую достоверность прогнозов притока воды. Но достоверность прогнозов притока воды остаётся низкой, следовательно, интервалы регулирования на практике соблюсти невозможно.

2. Почему на практике результаты будут хуже, чем по расчётам

Кривая полезных объемов озера Байкал

Интерполяционная таблица полезных объемов озера Байкал в условной системе высот

Кривые зависимости объемов и площадей зеркала Ангарской части Иркутского водохранилища от уровней у плотины

При выполнении расчётов регулирования стока водохранилищами с ГЭС в первую очередь решается задача максимально возможного заполнения полезной ёмкости водохранилища в маловодный период. В этих целях выполняются расчёты вероятных среднегодовых расходов и (или) объёмов воды в створе гидроузла при обеспеченностях притока от 1 до 99% в табличной или графической форме.

Таблица 2: Характеристики полезного годового и сезонного притока в озеро Байкал

Таблица 3: Характеристики максимального притока в озеро Байкал

При притоке обеспеченностью 99%, если прогноз притока воды оказывается достоверным, полезная ёмкость водохранилища должна заполняться до НПУ при среднем расходе через турбины 1050 м³/с, при обеспеченности 50% при среднем расходе воды через турбины 1470 м³/с, а при обеспеченности 1% при среднем расходе воды через турбины 2050 м³/с.

При высокой достоверности прогноза притока воды в маловодный период такая полезная ёмкость обеспечивает оптимальную величину выработки электроэнергии, но не может обеспечить эффективность использования водотока на выработку электроэнергии и безопасность нижнего бьефа в многоводный период.

Такой подход к расчётам привёл к занижению полезных, а позже и резервных ёмкостей всех наших водохранилищ, то есть к невозможности обеспечить безопасность при притоках воды ежегодной вероятностью превышения менее 1%, которые стали называть катастрофическими природными явлениями.

Основной вариант диспетчерского графика работы Иркутского водохранилища и озера Байкал, представленный на рисунке 5, намеченный для включения в проект ПИВР, обеспечивает наименьший расчетный диапазон колебаний уровня Байкала 1,88 м за счет применения двухвершинного расчётного гидрографа.

Принятый двухвершинный расчётный гидрограф (рисунок 4) создаёт иллюзию благополучия, поскольку в течение 110 лет наблюдался всего один раз в 1932 году и на практике маловероятен.

Рисунок 4

Вероятная кумуляция – скопление максимально большого объёма воды на площади водосбора в ограниченном временном интервале, не привязанном к календарю, наиболее опасная для гидротехнического сооружения часть объёма притока воды, должна была учитывать вероятность наложения дождевого паводка на половодье, то есть расчётный гидрограф должен быть одновершинным (в виде треугольника) или в виде трапеции.

При отсутствии впадины (рисунок 4) расходы и объёмы притока воды во всех 14 вариантах расчёта во всём диапазоне от обеспеченности 10% до ежегодной вероятности превышения 0,01 % с гарантийной поправкой в мае-августе окажутся значительно выше, поэтому скорость роста уровня озера возрастёт.

Кроме того, расчёты московского института выполнены на основе параметров максимального стока в створе Иркутского гидроузла (таблица 2), которые не учитывали влияния циклонов, то есть были занижены.

Таблица 2

Максимальные среднедекадные расходы полезного притока в озеро Байкал, принятые по периоду наблюдений 1903-2013 гг., в интервале 10% – 0,01% (рисунок 6) соответствуют значениям кривой, проведённой ниже фактических значений (занижены).

Ординаты кривой обеспеченности объёма полезного годового притока в озеро Байкал за период весеннего половодья (май-июнь), 1903/04 – 2012/13 (рисунок 7) для ежегодной вероятности превышения 0,01% – 5% соответствуют кривой, проведённой ниже фактических значений (занижены).

Ординаты кривой обеспеченности объёма полезного годового притока в озеро Байкал за тёплый период (май-октябрь), 1903/04 – 2012/13 (рисунок 8) для ежегодной вероятности превышения 0,1% – 1% соответствуют значениям кривой, проведённой ниже фактических значений (занижены).

Площадь водосбора озера Байкал относится к району активной циклонической деятельности. СНиП 33-01-2003 (актуализированная редакция 2013 года, п.8.24) рекомендует в качестве расхода поверочного расчетного случая принимать для районов активной циклонической деятельности расход воды, определенный по зарубежной методике вероятного максимального паводка – probable maximum flood (PMF), который может образоваться при сочетании самых неблагоприятных или предельно возможных факторов. Максимальный расход воды PMF может превышать расход ежегодной вероятностью превышения 0,01% + ∆ на 25% – 40%.

Эта методика во многих странах мира применяется для особо ответственных сооружений, разрушение которых может привести к катастрофическим последствиям.

Таблица 5 – Параметры максимального стока реки Иркут

Параметры максимального стока реки Иркут (таблица 5) не учитывали влияния циклонов, то есть были занижены. Иркут сам по себе представляют угрозу наводнений в русле реки Ангары, то есть в нижнем бьефе Иркутского гидроузла. Однако, расчёты не предусматривали возможность синхронного максимального стока с площадей водосбора.

Для обеспечения полной гарантии собственной безопасности гидроузла требовалась высокая достоверность заблаговременного прогноза притока воды. Достоверность прогнозов притока воды в половодья не превышает 70%, а дождевые паводки прогнозированию не поддаются.

Расчёты не предусматривали наличия запаса (резерва) пропускной способности гидроузла на непредвиденные обстоятельства (авария, отказ в работе оборудования плотины, ГЭС, схемы выдачи мощности ГЭС, приток выше принятого в расчётах), которым может быть холостой сброс воды в период заполнения полезной ёмкости водохранилища.

Высока вероятность того, что амплитуда изменения уровней озера Байкал превысит 2,31 м по вышеуказанным причинам.

Ведь реки Иркут, Китой и Белая сами по себе могут привести к затоплениям на берегах реки Ангары (таблица 5).

В настоящее время нижний бьеф Иркутского гидроузла бесконтрольно застраивается, поэтому безопасным стал сбросной расход в нижний бьеф Иркутского гидроузла в пределах 3000 м³/с, если объём стока с Саянских гор окажется минимальным.

3. Каким может быть выход в сложившемся положении

Технология регулирования стока “скачками блохи” позволяет сводить концы с концами только в годы средней водности. В маловодные и многоводные периоды при наличии дефицита ёмкости водохранилищ эта технология регулирования не годится, прежде всего, по причине низкой достоверности прогнозов притока воды.

Наиболее эффективным, менее затратным и быстро выполнимым мероприятием следует признать создание бетонной водосливной плотины непосредственно в истоке реки Ангары, обеспечивающей в маловодный период подъём минимального уровня озера на 2 м и расход воды из озера при этом уровне в пределах 2000 – 3000 м³/с.

Иначе, в длительный маловодный период уровень озера может оказаться даже ниже отметки 453,00 м усл., а река Ангара может превратиться в ручей.

В своё время следовало принять меры для увеличения расхода в истоке до 2300 -3000 м³/с при уровне воды в озере на отметке 453,0 м усл.. К сожалению, тогда эта необходимость была ошибочно связана исключительно с ускорением заполнения Братского водохранилища, а не с необходимостью повышения гидрологической безопасности.

По моему мнению, вместо создания Иркутского гидроузла тогда следовало непосредственно в истоке построить водосливную плотину-регулятор стока и шлюз.

Решить проблему также можно путём создания водохранилищ-регуляторов стока без ГЭС на Селенге, Баргузине, Верхней Ангаре (для озера) и на Иркуте, Китое и Белой (для нижнего бьефа).

Нижняя часть ёмкости водохранилища-регулятора стока без ГЭС должна быть заполнена на случай маловодного периода, а верхняя часть ёмкости должна служить для приёма воды в многоводный период. Только так возможно быстро компенсировать созданный ранее дефицит порожних ёмкостей водохранилищ, связанный с нарушением очерёдности возведения гидроузлов в каскаде.

Известно, что основным истоком Енисея была река Селенга и её приток река Эгийн-Гол, берущая своё начало в озере Хубсугул, а дополнительным истоком – река Малый Енисей, ранее берущая своё начало также в озере Хубсугул, и Большой Енисей.

Наши крупные гидроузлы изначально были запроектированы на безопасный для самих гидроузлов пропуск притока ежегодной вероятностью превышения 0,1% (вероятность события 1 раз за 1000 лет) и безопасный для нижних бьефов пропуск расхода притока воды обеспеченностью 1% (вероятность события 1 раз за 100 лет). Но эти проекты и расчёты на практике не могли быть реализованы по причине дефицита полезной и резервной ёмкости водохранилищ.

Гарантия гидрологической безопасности гидроузла с ГЭС возможна только тогда, когда при максимальном расчётном расходе и объёме притока воды ежегодной вероятностью превышения 0,1% полезная ёмкость заполняется при среднем надёжно гарантированном расходе воды через турбины без выполнения холостого сброса воды, когда расход притока воды снижается до сбросного расхода, допустимого для нижнего бьефа в его естественном состоянии или после создания инженерных защитных сооружений.

Только тогда сохраняется запас (резерв) пропускной способности гидроузла, которым может быть только холостой сброс воды в период заполнения полезной ёмкости водохранилища.

Этим целям, как показала Саяно-Шушенская катастрофа 2009 года, мог служить водосброс с глубинным водозабором, оборудованный резервным источником энергоснабжения, способный работать в любой период заполнения и опорожнения ёмкости водохранилища и в любых гидрометеорологических условиях.

Полная гарантия гидрологической безопасности гидроузла с ГЭС возможна только тогда, когда при максимальном расчётном расходе и объёме притока воды ежегодной вероятностью превышения 0,01% с г.п. резервная ёмкость заполняется и быстро опоражнивается со сбросным расходом, который достигнут при трансформации (снижении) расхода притока воды ежегодной вероятностью превышения 0,1% в полезной ёмкости водохранилища.

Байкал нуждается в экстренной помощи в маловодный и многоводный периоды, потому что:

• – сток воды с площади водосбора в озеро остаётся не зарегулированным;
• – отсутствуют возможности создания дополнительной регулирующей емкости из-за ограничения минимального и максимального уровней озера;
• – существует естественное ограничение пропускной способности истока реки Ангары из озера Байкал;
• – пропускная способность нижнего бьефа Иркутского гидроузла продолжает снижаться из-за бесконтрольной застройки;
• – сток воды с Саянских гор в русло Ангары не зарегулирован;
• – заблаговременные прогнозы притока воды имеют низкую достоверность;
• – по расчётам московского университета при диапазоне изменения уровней озера 2,31 м гидрологическая безопасность не обеспечивается;
• – расчёты московского университета занизили диапазон изменения уровней озера, поскольку применили маловероятный двухвершинный расчётный гидрограф, использовали гидрологические сведения, не учитывающие влияние муссонов, использовали в расчётах основной запас (резерв) пропускной способности, предназначенный на непредвиденные обстоятельства.

Иркутский гидроузел частично решает эти проблемы путём подъёма среднего уровня озера. Если оставить всё без изменений, то в случае продолжения маловодного периода уровень воды в озере может оказаться ниже минимального уровня в истоке, а в случае длительного многоводного периода синхронный сток воды с площади водосбора в озеро и с Саянских гор в русло Ангары может привести к глобальной катастрофе.

Например, необходимо было давно разработать новую методику и математическую модель долгосрочного и заблаговременного прогнозирования притока воды в озеро Байкал.

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!"