Почему сейчас России нужны водохранилища без ГЭС

Новосибирский, Красноярский, Саяно-Шушенский, Зейский гидроузлы запроектированы на пределе возможностей, поэтому в приоритетном порядке и без промедления должны быть созданы водохранилища-регуляторы стока без ГЭС: Каменское на Оби, Сейбинское и Уюкское на Енисее, Гилюйское на Зее и Нижне-Ниманское на Бурее – уверен бывший заместитель генерального директора Саяно-Шушенской ГЭС Владимир Бабкин:

Одновременное решение противоречивых задач гарантирования гидрологической безопасности гидроузлов и повышения эффективности использования водотока на выработку электроэнергии и мощности ГЭС невозможно по причине крайней неравномерности стока воды с площадей водосбора по годам и в течение каждого года.

Чем дальше выбранный створ от верховий, тем больше площадь водосбора, тем выше расходы и объёмы притока воды обеспеченностью от 1 до 100% и тем выше гарантия заполнения полезной ёмкости водохранилища в маловодные годы и годы средней водности.

Именно по такой логике создавались гидроузлы на Оби, Енисее, Зее, Бурее, Вилюе. При выполнении технико-экономических расчётов вне конкуренции всегда оказывался вариант створа, создающий наибольший напор и расход воды для работы турбин ГЭС, то есть вариант водохранилища, большая часть ёмкости которого оставалась постоянно заполненной для создания напора.

Например, Саяно-Шушенское водохранилище полезной ёмкостью 15,33 км³ рассчитано на заполнение за счёт разницы фактического расхода притока воды и расхода воды через турбины, приравненного к вероятному среднегодовому расходу притока воды обеспеченностью 1- 99%, таблица 1.

Объёмы притока воды в мае-сентябре (п.3, таблица 1)) обеспеченностью 1% и 5% (заимствованы из таблицы 4, п.4 [1]) равны соответственно 53,8 км³ (83,22% от среднегодового объёма притока) и 48,7 км³ (83,48% от среднегодового притока). Все остальные объёмы притока воды за 153 суток в мае-сентябре приняты равными 83% от среднегодового значения.

Для гарантии заполнения полезной ёмкости водохранилища при обеспеченностях притока воды 95-99% необходимо расход воды через турбины поддерживать ниже вероятных среднегодовых величин.

В маловодный год и год средней водности такая малая полезная ёмкость водохранилища обеспечивает близкую к оптимальной величину выработки электроэнергии, но не может обеспечить безопасность нижнего бьефа в многоводный период, особенно при заниженном прогнозе притока воды и возникновении непредвиденного обстоятельства (авария, отказ в работе оборудования).

Поэтому вынуждены выполнять холостой сброс воды в период заполнения полезной ёмкости, то есть заведомо использовать в расчётах основной резерв гидрологической безопасности гидроузла, предназначенный на непредвиденные обстоятельства в течение длительной эксплуатации гидротехнических сооружений, то есть еще более усугублять положение.

Такой подход к расчётам полезной ёмкости, разумеется, не мог обеспечивать гидрологическую безопасность, которая определяется на основе гидрологических данных притока воды редкой повторяемости от 1 раза за 100 лет до 1 раза за 10000 лет.

1. Расчёты при соблюдении очерёдности возведения гидроузлов строго от верховий к устью по схеме освоения водных ресурсов бассейна

Только при соблюдении очерёдности возведения гидроузлов от верховий к устью появляется возможность создать полезную ёмкость водохранилища, соответствующую возможностям площади водосбора и позволяющую принять максимальный расчётный объём притока воды ежегодной вероятностью превышения 0,1% без выполнения холостого сброса воды.

Только при таком подходе к расчёту полезной ёмкости водохранилища достигается готовность гидроузла к безопасному пропуску притока ежегодной вероятностью превышения 0,1%, а холостой сброс воды может начинаться только после заполнения водохранилища до НПУ.

В дальнейшем в зависимости от величины расхода притока воды процесс может происходить по двум вариантам:

– сбросной расход воды достигает расчётной величины и быстро снижаться до расхода воды через турбины, если приток воды соответствует вероятности превышения 0,1% (основной расчётный случай);

– если расход притока воды оказывается выше, то сбросной расход сохранятся максимальным расчётным и начинается заполнение резервной ёмкости водохранилища до ФПУ, если приток воды достигает величины ежегодной вероятностью превышения 0,01%. Опорожнение резервной ёмкости до нормального подпорного уровня (НПУ) должно происходить максимально быстро со сбросным расходом воды основного расчётного случая 0,1% (поверочный расчётный случай).

Резервная ёмкость должна вмещать половину разницы объёма притока воды ежегодной вероятностью превышения 0,01% с гарантийной поправкой и ежегодной вероятностью превышения 0,1%.

Гарантийная поправка к расходу ежегодной вероятностью превышения 0,01% для особо ответственных гидротехнических сооружений согласно своду правил (СП) может достигать 20%, Этим достигается гарантия от превышения ФПУ и перегрузки плотины.

При соблюдении очерёдности возведения гидроузлов от верховий к устью максимальный сбросной расход воды в нижний бьеф каждого в каскаде гидроузла должен определяться по притоку ежегодной вероятностью превышения 0,1% (основной расчётный случай) после заполнения всех вышерасположенных полезных ёмкостей водохранилищ до НПУ без выполнения холостого сброса воды.

Строгое соблюдение очерёдности возведения гидроузлов в каскаде гарантирует каждому гидроузлу создание ёмкости водохранилища, которая заполняется за счёт разницы фактического расхода притока воды и расхода воды через турбины, равного среднему годовому расходу притока воды обеспеченностью 1% -100%, и гарантирует снижение расхода притока воды до сбросного расхода, допустимого для нижнего бьефа в его естественном состоянии.

Холостой сброс воды в период заполнения полезной ёмкости при наличии водосброса с глубинным водозабором становится основным резервом гидрологической безопасности на непредвиденные обстоятельства (авария, отказ в работе оборудования).

Только при соблюдении очерёдности возведения гидроузлов от верховий к устью может быть достигнута однозначность результатов расчёта и до минимума снижается зависимость регулирования стока от достоверности прогноза притока воды.

2. При нарушении очерёдности возведения гидроузлов с ГЭС в каскаде

Основная причина занижения полезных и резервных ёмкостей водохранилищ с ГЭС заключается в создании условий для заполнения полезной ёмкости в маловодные периоды и в периоды средней водности для надёжной работы ГЭС.

Такие условия можно создать только путём нарушения очерёдности возведения каскада водохранилищ, то есть максимально возможного увеличения площади водосбора путём принятия первого створа, расположенного как можно дальше от истоков.

При таком подходе нельзя обеспечить собственную безопасность гидроузла без использования холостого сброса воды в период заполнения полезной ёмкости водохранилища, то есть без заведомого использования основного резерва гидрологической безопасности на непредвиденные обстоятельства (авария, отказ в работе оборудования плотины, водосброса, ГЭС, схемы выдачи мощности ГЭС и энергосистемы).

Чем выше гарантия заполнения полезной ёмкости водохранилища в маловодные годы и годы средней водности обеспеченностью до 1%, тем ниже гарантия трансформации (снижения) максимального расхода притока воды ежегодной вероятностью превышения 0,1% до сбросного расхода, допустимого для нижнего бьефа. Именно поэтому расчёты гарантируют безопасность нижнего бьефа только при притоке воды обеспеченностью до 1%.

На практике по причине заниженного прогноза притока воды холостой сброс воды запаздывает, поэтому собственную гидрологическую безопасность гидроузлов стремятся обеспечивать за счёт повышенной пропускной способности гидроузла. По этой причине безопасность нижних бьефов не гарантируется даже при обеспеченности более 1%.

3. О пропуске притока ежегодной вероятностью превышения расхода 0,01% с гарантийной поправкой (поверочный расчётный случай) по замыслу

Сохранение максимальной величины сбросного расхода воды основного расчётного случая 0,1%, допустимого для нижнего бьефа в его естественном состоянии – главная цель создания резервной ёмкости водохранилища.

Резервная ёмкость должна заполняться за счёт положительной разницы расхода притока воды в водохранилище и сбросного расхода воды в нижний бьеф основного расчётного случая 0,1%, а опоражниваться за счёт отрицательной разницы.

На практике малую резервную ёмкость стали использовать как дополнение к полезной ёмкости, то есть расход воды через водосброс и сбросной расход воды в нижний бьеф стали увеличиваться с увеличением уровня (напора).

Нынешние расчёты пропуска высоких вод исключают вероятность заниженного прогноза притока воды, вероятность наложения дождевого паводка на половодье и вероятность возникновения непредвиденного обстоятельства.

Они выполняются, как правило, по версиям гидрографов с двумя-тремя пиками расхода. Благодаря этому выигрывается время для снижения уровня водохранилища к началу июльского дождевого паводка, а затем к началу августовского дождевого паводка, то есть создаётся видимость благополучия.

4. Предложение по исправлению положения

Для водохранилищ, создаваемых от верховий к устью, было принято считать, что для выполнения полного годичного регулирования необходима ёмкость водохранилища, составляющая 40-60 % среднемноголетнего стока воды.

Частично эту проблему пытались решить путём повышения уровня водохранилища или создания части гидроагрегатов для работы при пониженных уровнях (напорах).

Например, рассматривалось предложение по повышению уровня Красноярского водохранилища на 12 м с переносом городов Абакан и Минусинск, а также многих других населённых пунктов.

Один из вариантов проекта Саяно-Шушенского гидроузла предусматривал создание двух гидроагрегатов из двенадцати для работы на пониженных напорах и четыре водосбросных отверстия с глубинным водозабором и порогами на уровне 465,0 м. Сработка водохранилища допускалась до уровня 486,0 м, то есть на 14 м ниже, чем сейчас, [1], стр.246.

Но одновременно решить противоречивую проблему повышения гарантии работы ГЭС в маловодные годы и годы средней водности и обеспечения безопасного пропуска высоких вод так и не удалось.

Именно по этой причине была до 1 м ограничена амплитуда изменения уровней озера Байкал в маловодный период и период средней водности в ущерб безопасности нижнего бьефа.

Именно по этой причине в маловодный период и период средней водности Красноярское и Зейское водохранилища к началу половодья не срабатываются до уровня мёртвого объёма (УМО), подвергая нижние бьефы катастрофическим затоплениям в многоводный год.

На практике маловероятные события могут не случиться в течение жизни нескольких поколений людей, поэтому гидрологической безопасности, к сожалению, не придавалось и сейчас не придаётся должного значения.

Именно по этой причине до сих пор не созданы водохранилища-регуляторы стока без ГЭС: Каменское водохранилище на Оби, Сейбинское на Енисее, Гилюйское на Зее и Нижне-Ниманское на Бурее.

Создание таких водохранилищ решает все проблемы, поскольку часть их полной ёмкости находится постоянно заполненной на случай маловодного периода, а верхняя часть используется в многоводный период.

Расходы на создание таких ёмкостей, безусловно, окупятся за счёт увеличения выработки электроэнергии и мощности на действующих ГЭС, за счёт снижения вероятности затоплений и аварий, за счёт снижения расходов на создание новых гидроузлов с ГЭС в нижних бьефах ныне действующих гидроузлов на зарегулированных расходах воды.

Нельзя вовсе исключать, что в перспективе будут востребованы водохранилища без ГЭС для создания запаса пресной воды и её передачи в засушливые регионы страны и на экспорт.

Когда создавались Новосибирский, Красноярский, Саяно-Шушенский, Зейский гидроузлы никто из их создателей даже мысли не допускал, что гидротехническое строительство в верховьях прекратиться и крупнейшие населённые пункты останутся беззащитными.

Пора понять, что вышеназванные гидроузлы запроектированы на пределе возможностей с использованием в расчётах основного резерва гидрологической безопасности, что регулирование стока оказалось в полной зависимости от прогнозов притока воды, достоверность которых крайне низка.

В нынешних условиях нельзя рассчитывать на создание в верховьях тех многочисленных гидроузлов, которые предлагались в схемах использования водных ресурсов. Время покажет, будут ли их создавать в отдалённом будущем.

Именно поэтому водохранилища-регуляторы стока без ГЭС: Каменское на Оби, Сейбинское и Уюкское на Енисее, Гилюйское на Зее и Нижне-Ниманское на Бурее обязаны быть в приоритетном порядке и без промедления созданы.

Источники, в которых эта тема изложена подробно:

[1] Бабкин В.И. Какой должна быть идеология регулирования речного стока в XXI веке – https://www.plotina.net/babkin-21/

[2] Бабкин В.И. О регулировании стока воды на Енисее, журнал “Гидротехника XXI век” № 3 (15) сентябрь 2013

[3] Бабкин В.И. О безопасности гидротехнических сооружений, журнал “Гидротехника XXI век” №4(16) декабрь 2013

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!"