Почему сейчас Енисею нужны именно противопаводковые водохранилища

Создание емкости в Туве – единственно возможное решение проблем пропуска экстремального стока на Енисее вероятностью превышения менее 1%, снижения нагрузки на уникальную плотину Саяно-Шушенской ГЭС и ее нижний бьеф. Таким способом грозное маловероятное будущее событие будет перенесено в прошлое, минуя настоящее, уверен бывший заместитель гендиректора СШГЭС и участник создания и эксплуатации всех гидроузлов на Енисее Владимир Иннокентьевич Бабкин. Обоснование такой точки зрения – в его новой статье, подготовленной специально для сайта "Плотина.Нет!":

1. О полном годичном регулировании речного стока при наличии ГЭС

Полное годичное регулирование речного стока возможно только при наличии водохранилища, порожний полезный объем которого при обеспеченности притока до 1% заполняется до нормального подпорного уровня (НПУ) при надежно гарантированном среднем расходе воды через турбины без выполнения холостого сброса воды.

При полном годичном регулировании речного стока ежегодной вероятностью превышения до 0,1% расход притока обязан трансформироваться (снижаться) до зарегулированного водохранилищем максимального расчетного сбросного расхода воды в нижний бьеф при отсутствии необходимости заполнения водохранилища выше НПУ. При необходимости в нижнем бьефе должны предусматриваться инженерные защитные сооружения.

Холостой сброс воды при полном годичном регулировании речного стока ежегодной вероятностью превышения до 0,1% должен начинаться с максимальным расчетным расходом через водосбросные сооружения только после заполнения водохранилища до НПУ, а затем снижаться до нуля. Такой подход назван основным расчетным случаем.

Иначе говоря, надежно гарантированный средний расход воды через турбины должен определяться по среднему расходу притока воды обеспеченностью 1%, а водосбросные сооружения должны рассчитываться по величине зарегулированного водохранилищем максимального расчетного сбросного расхода воды в нижний бьеф основного расчетного случая за минусом среднего надежно гарантированного расхода воды через турбины.

Принято считать, что для выполнения полного годичного регулирования необходим порожний полезный объем водохранилища, составляющий 40-60 % среднемноголетнего стока воды. Такое условие соблюдается, если возведение гидроузлов начинается по заранее разработанной схеме освоения реки от верховий к устью.

Если расход притока воды не снижается, а начинает превышать величину зарегулированного водохранилищем максимального расчетного сбросного расхода воды в нижний бьеф основного расчетного случая, то начинается регулирование экстремального стока вероятностью превышения расхода менее 0,1% и до 0,01% + ?.

Регулирование экстремального стока обязано происходить в порожней резервной емкости водохранилища, которая должна работать как регулятор стока в экстремальные половодья и дождевые паводки. Заполнение водохранилища до форсированного подпорного уровня (ФПУ) и опорожнение до НПУ должно происходить быстро с зарегулированным водохранилищем максимальным расчетным сбросным расходом основного расчетного случая.

В особых случаях для увеличения резервной емкости сводом правил СП 33.01-2003, п. 5.31 предусматривалась возможность увеличения расчетного расхода вероятностью превышения 0,01% до 20% (гарантийная поправка ?). Такой подход назвали поверочным расчетным случаем.

При таком подходе к расчету порожнего объема водохранилища при наличии водосброса с глубинным водозабором запасом надежности – резервом на все непредвиденные обстоятельства (аварии, отказы в работе оборудования и т.п.) служит холостой сброс воды при заполнении порожней полезной емкости водохранилища, а регулирование стока практически не зависит от достоверности прогноза притока воды.

При таком подходе регулирование речного стока нуждается в прогнозах притока воды только при возникновении непредвиденных обстоятельств и необходимости использования резерва гидрологической безопасности.

2. Основные причины снижения гидрологической безопасности на Енисее

В таблице 1 приведены основные расчетные расходы и уровни водохранилища, принимавшиеся при проектировании, строительстве и эксплуатации Саяно-Шушенского гидроузла, [1], стр.18.

Таблица 1

^*Расходы холостых сбросов установлены с учетом раннего включения в работу эксплуатационного водосброса.

Последовательное и недостаточно обоснованное снижение величин максимальных расчетных расходов притока воды без соответствующего увеличения порожней емкости Саяно-Шушенского водохранилища неминуемо должно было закончиться расчетом, предусматривающим раннее включение в работу эксплуатационного водосброса, то есть заведомое использование основного резерва гидрологической безопасности.

Невольно возникает вопрос: почему в 1998 году через 10 лет после создания Саяно-Шушенского гидроузла максимальный расчетный расход притока воды в половодье вероятностью превышения p = 0,01%+? был сразу снижен на 30300 – 23900 = 6400 м³/с, то есть более чем на 20%?

Не секрет, что максимальные расходы, как правило, проходят ночью, но пункты по учету стока на реках не обеспечены приборами и устройствами для регистрации истинно максимальных расходов в ночное время. Ошибки при вычислении максимальных величин расходов воды статистического ряда и слоев стока по оценкам специалистов достигают 20%.

Не было убедительных оснований для снижения основных расчетных параметров: гидрометрические наблюдения на площади водосбора только ухудшились, а изменения климата, как известно, ведут только к повышению вероятности природных катаклизмов.

Далее. Величина гарантийной поправки ? к расходу притока воды вероятностью превышения 0,01% напрямую влияет на величину резервной емкости водохранилища. Но и она для уникального гидроузла составила всего 23900 – 21700 = 2200 м³/с, то есть чуть выше 10% (таблица 3). Иначе говоря, резервный объем Саяно-Шушенского водохранилища был занижен изначально, а после создания гидроузла узаконен новыми правилами. Но и на этом не остановились.

Хорошо известно, что дефицит порожней емкости водохранилища, участвующей в расчете, и при регулировании на практике неизбежно приводит к увеличению объема и расхода холостого сброса воды и сбросного расхода воды в нижний бьеф.

Красноярский гидроузел должен был создаваться 21-м в каскаде, а его построили первым. Саяно-Шушенский гидроузел построили вторым, хотя он должен был создаваться 10-м в каскаде. По этой причине был создан громадный дефицит порожних емкостей водохранилищ.

По историческим сведениям, в 1800 году произошло самое ужасное наводнение на Енисее, накрывшее весь город Енисейск, в 1857 году у города Красноярска уровень превысил 11 м, в 1879 году – 10,39 м, а расход достиг 28900 м³/с, у села Означенное (у створа Саяно-Шушенского гидроузла) соответственно 7 м и 19000 м³/с.

При проектировании первого на Енисее Красноярского гидроузла расчетный максимальный расход через сооружения вероятностью превышения 0,1% (основной расчетный случай) был принят равным 33400 м³/с, а вероятностью превышения 0,01% -39000 м³/с, который трансформировался (снижался) водохранилищем, полезная емкость которого составляла 30,4 км³, до 20000 м³/с, из которых через турбины предполагалось пропускать 7200 м³/с при одновременной работе всех турбин и 12800 м³/с через водосброс с поверхностным водозабором.

Тогда разрешалось включать в расчеты пропуска высоких вод одновременную работу всех турбин ГЭС, хотя знали, что на практике такой режим работы обеспечивать длительное время чрезвычайно сложно.

Безопасным для нижнего бьефа считали сбросной расход до 10000 м³/с, который мог быть обеспечен только путем увеличения порожнего объема водохранилища, то есть путем повышения принятого НПУ 243 м на 12м с переносом города Абакана, Минусинска и многих других поселений.

От повышения НПУ отказались, но было принято решение форсировать создание Саяно-Шушенского гидроузла, а для обеспечения безопасности его нижнего бьефа в 1975 году начать строительство Сейбинского и Уюкского гидроузлов на Большом Енисее в Туве.

При проектировании второго на Енисее Саяно-Шушенского гидроузла расчетный максимальный расход через сооружения вероятностью превышения 0,1% (основной расчетный случай) был принят равным 19100 м³/с, а вероятностью превышения 0,01% -25300 м³/с, который трансформировался (снижался) водохранилищем, полезная емкость которого составляла 15,3 км³, до 15900 м³/с, из которых через турбины Саяно-Шушенской ГЭС предполагалось пропускать 2300 м³/с при работе части турбин и 13600 м³/с через водосброс с глубинным водозабором.

Пропускная способность экспериментального водосброса СШГЭС при НПУ 540,0 м составляла 13090 м³/с, поэтому высоту плотины Саяно-Шушенской ГЭС увеличили на 3 м, разрешили кратковременно заполнять водохранилище до ФПУ 544,5 м, при котором пропускная способность водосброса могла достигать 13640 м³/с.

В 1997 году с целью снижения нагрузки на плотину СШГЭС установили пониженный на 1 м НПУ 539,0 м и пониженный на 4,5 м ФПУ 540,0 м. Около 2,4 км³ порожней емкости, расположенной выше ФПУ 540,0 м, заполнять запретили. В итоге полезная емкость Саяно-Шушенского водохранилища снизилась до 14,71 км³, а резервная до 0,62 км³. Дефицит порожней емкости водохранилища СШГЭС был компенсирован за счет основного резерва безопасности.

3. Регулирование стока на Енисее в современных условиях

Сейчас полезная емкость Саяно-Шушенского водохранилища составляет 14,71 км³ или 31,2% среднемноголетнего объема стока. По состоянию на 2006 год за 89 лет наблюдений среднемноголетний сток воды в створе Саяно-Шушенского гидроузла составил 47,13 км³. Это означает, что порожний полезный объем Саяно-Шушенского водохранилища должен был 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.

В 2000 году была принята новая редакция правил использования водных ресурсов (ПИВР) Саяно-Шушенского водохранилища, которые предусматривали соблюдение контрольных уровней наполнения водохранилища СШГЭС с привязкой к календарю в зависимости от прогнозов объемов притока воды в половодье и дождевые паводки путем преждевременного холостого сброса воды с уровней ниже НПУ согласно таблице 2 ([1], стр.456).

Таблица 2

При прогнозе притока воды в половодье длительностью 30 суток в объеме ?30 км³ холостой сброс воды обязаны начинать после заполнения -Шушенского водохранилища до уровня 520,0 м а при прогнозе притока воды в объеме ?30 км³ – при достижении уровня 510,0.

При этом особо подчеркивается, что время включения в работу водосбросов Саяно-Шушенской ГЭС устанавливается на основе анализа данных по снегозапасам и оперативных прогнозов половодья.

Хотя известно, что достоверность прогнозов половодья не превышает 70%, а “дождевые паводки не могут быть надежно спрогнозированы более чем на несколько дней вперед, а в ряде случаев глубина прогноза не превышает нескольких часов”.

В таблице 3 приведены расчеты объемов холостого сброса воды при условии, что порожний полезный объем -Шушенского водохранилища заполняется за счет разницы расхода притока и среднего расхода воды через турбины Саяно-Шушенской ГЭС, равного 2100 м³/с, а холостой сброс воды начинается после заполнения водохранилища до НПУ.

Таблица 3

На практике заполнение порожнего полезного объема Саяно-Шушенского водохранилища, как правило, происходит при среднем расходе воды через турбины 800 – 1800 м³/с, то есть объемы холостого сброса воды оказываются значительно выше.

Например, в 2006 году при обеспеченности притока воды 54% в мае (вероятность события 1 раз за 1,85 лет), 8% в июне (1 раз за 12,5 лет), значительно выше 1% в июле (при вероятности 1 раз за 100 лет расход притока достигает 9025 м³/с, а фактически не превышал 7200 м³/с), холостой сброс воды достиг 15 км³, а максимальный сбросной расход воды в нижний бьеф Саяно-Шушенской ГЭС составил 7700 м³/с, то есть превысил безопасную величину 7000 м³/с.

4. Об изменении схемы регулирования Саяно-Шушенским гидроузлом

Расчет объемов холостого сброса воды при наличии регулирующей емкости в верховье в Туве объемом V_р =9,24 км³, надежно гарантированном расходе воды через турбины 2100 м³/с (для сравнения при расходе 1800 м³/с и 2300 м³/с), полезном объеме Саяно-Шушенского водохранилища V_п =11,22 км³ (НПУ 532,8 м), холостом сбросе воды после заполнения водохранилища до НПУ и резервном объеме V_рез = 4,1 км³ (между НПУ 532,8 м и ФПУ 540,0 м) приведен в таблице 4.

Таблица 4

Для того, чтобы отсутствовала необходимость в холостом сбросе воды при заполнении Саяно-Шушенского водохранилища до нового пониженного НПУ 532,8 м в половодье длительностью 30 суток вероятностью превышения 0,1%, в верховье необходимо задержать объем 9,24 км³.

Тогда при пропуске притока воды в течение 153 суток (май-сентябрь) наиболее напряженного периода года при вероятности превышения притока воды 0,1% потребуется сбросить мимо турбин 11,78 км³ с максимальным расчетным сбросным расходом воды в нижний бьеф Саяно-Шушенской ГЭС основного расчетного случая, равным 7000 м³/с, который должен снизиться до нуля (основной расчетный случай).

Если максимальный расчетный сбросной расход воды в нижний бьеф основного расчетного случая не снижается, то начинается кратковременное заполнение и опорожнение резервного объема.

При вероятности превышения притока воды 0,01% + ? (поверочный расчетный случай) еще потребуется сбросить мимо турбин 19,98 – 11,78 = 8,2 км³. Для этого необходимо кратковременно заполнить Саяно-Шушенское водохранилище от НПУ 532,8 м до ФПУ 540,0 м в объеме 4,1 км³ и опорожнить до НПУ за счет разницы расхода притока и максимального расчетного сбросного расхода воды в нижний бьеф основного расчетного случая.

При среднем расходе воды через турбины 1800 м³/с [2] объем холостого сброса воды на Саяно-Шушенской ГЭС увеличивается до 23,94 км³, а при расходе 2300 м³/с снижается до 17,34 км³.

Поскольку расчеты порожнего полезного и порожнего резервного объемов Саяно-Шушенского водохранилища выполнялись из условия безопасного пропуска половодий и дождевых паводков ежегодной вероятностью превышения 0,01% с гарантийной поправкой, то есть из условия максимального расхода и объема притока воды, то необходимость в высокой достоверности прогноза притока воды отсутствует.

При наличии водосброса с глубинным водозабором и возникновении непредвиденного обстоятельства сохраняется возможность в любой момент начать холостой сброс воды в период заполнения порожней полезной емкости Саяно-Шушенского водохранилища, то есть использовать основной резерв гидрологической безопасности гидроузла.

Прогнозы притока воды в водохранилища нужны на непредвиденные случаи (аварии, отказы в работе оборудования и т.п.), чтобы своевременно принять решение об использовании резервов гидрологической безопасности гидроузла: основного резерва и дополнительного резерва, который заключался в кратковременной одновременной работе всех турбин ГЭС, которая возможна при условии наличия возможности выдачи всей установленной мощности ГЭС напрямую в энергосистему.

Величина порожней емкости водохранилища остается определяющей при пропуске экстремального притока воды вероятностью превышения менее 1%. Создание емкости в Туве позволит:

– исключить зависимость регулирования стока от достоверности прогноза притока воды в водохранилище;

– понизить НПУ до уровня 532,8 м и создать порожний резервный объем 4,1 км³ между уровнями 532,8 – 540,0 м для пропуска многоводного половодья и неожиданного многоводного дождевого паводка;

– снизить сбросной расход воды в нижний бьеф до безопасной величины 7000 м³/с;

– полностью восстановить резерв гидрологической безопасности, заключающийся в холостом сбросе воды при заполнении полезного объема водохранилища;

– отказаться от создания дополнительного водосброса на Майнском гидроузле, от дноуглубительных работ в русле Енисея и от дополнительных работ по реконструкции существующих и созданию новых инженерных защитных сооружений в нижних бьефах;

– повысить эффективность использования берегового водосброса в пропуске половодий и дождевых паводков и снизить нагрузку на эксплуатационный водосброс до 5000 м³/с;

– отказаться от устройства пирсов-растекателей, разработанных для повышения надежности крепления водобойного колодца эксплуатационного водосброса в его активной зоне, которые необходимы при пропуске расходов выше 5000 м³/с;

– вернуть для хозяйственного использования большую часть ранее затапливаемой земли в Тувинской котловине;

– повысить уровень мертвого объема (УМО) Красноярского водохранилища, ускорить начало работы Красноярского судоподъемника и начало навигации до Абакана без выполнения дноуглубительных работ в зоне выклинивания водохранилища;

– исключить необходимость создания водосброса с глубинным водозабором для Красноярского гидроузла на случай остановки всех турбин ГЭС;

– понизить вероятность затоплений на Енисее, в том числе в Туве;

– при наличии прогноза экстремального притока воды заблаговременно принять решение об использовании резервов гидрологической безопасности: повышенного расхода воды через турбины и холостого сброса воды при заполнении полезного объема водохранилища;

– снизить объемы холостого сброса воды и увеличить выработку электроэнергии на всех ГЭС енисейского каскада.

Конечно, можно обойтись без создания регулирующей емкости в Туве, но тогда потребуется построить девять водохранилищ с ГЭС, как это предусматривалось схемой освоения водных ресурсов Енисея. А на это нет времени и ресурсов.

Создание емкости в Туве – единственно возможное решение проблем пропуска экстремального стока на Енисее вероятностью превышения менее 1%, снижения нагрузки на уникальную плотину Саяно-Шушенской ГЭС и ее нижний бьеф. Таким способом грозное маловероятное будущее событие будет перенесено в прошлое, минуя настоящее.

Литература:

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

[2] “Саяно-Шушенская ГЭС. Уточнение пропускной способности водосбросных сооружений с учетом дополнительного водосброса” инв. № 1047-1-126т, Ленгидропроект, 2003г

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!"