СШГЭС: дальнейший риск недопустим

Регулирование стало непредсказуемым, заполнение Саяно-Шушенского водохранилища искусственно задерживается даже в маловодные годы, так как объемы холостого сброса воды на Саяно-Шушенской ГЭС увеличиваются из-за снижения всех первоначальных расчетных параметров гидрологической безопасности гидроузла и крайне неравномерного притока воды в водохранилище с гор, с огромной площади водосбора. Этот совершенно неоправданный риск более недопустим:

Еще до начала проектирования гидроузлов на Енисее было известно, что Красноярское водохранилище полезным объемом 30,4 км³ способно трансформировать половодье обеспеченностью 0,01% + ? с 39000 только до 20000 м³/с, если турбины ГЭС в среднем пропускают 7200 м³/с, а Саяно-Шушенское водохранилище полезным объемом 15,3 км³ с 25000 только до 15900 м³/с, если средний расход воды через турбины СШГЭС составит 2300 м³/с.

Тогда обеспечить безопасность города Красноярска предлагалось за счет повышения НПУ (нормального подпорного уровня) водохранилища на 12 м до уровня 255 м с переносом города Абакана и многих других поселений. НПУ 243 м был принят при условии создания Саяно-Шушенского водохранилища, а эффективность и безопасность Саяно-Шушенского гидроузла гарантировались только после создания Сейбинского и Уюкского водохранилищ на Большом Енисее в Туве.

Правда, об этом открыто не говорилось и, тем более, не писалось. Официальной причиной повышения НПУ считалась необходимость увеличения напора, единичной мощности гидроагрегатов и установленной мощности ГЭС.

Саяно-Шушенский гидроузел как сооружение первого класса должен быть безопасным при пропуске расходов обеспеченностью 0,01% + ? (таблица 1), которым обеспечивалась гидрологическая безопасность гидроузла и его нижнего бьефа.

Таблица 1

Большая неравномерность притока воды в Саяно-Шушенское водохранилище объяснялась горным рельефом площади водосбора (180000 км²), для повышения равномерности которого планировалось построить 9 водохранилищ с ГЭС.

Справедливость гидрологических расчетов до обеспеченности 1% многократно подтверждена на практике самой природой. Величины расходов притока воды более редкой повторяемости никем не оспариваются и со временем незначительно уточняются в большую сторону.

По первоначальному расчету гидрологической безопасности Саяно-Шушенского гидроузла весеннее половодье обеспеченностью 0,01% + ? безаварийно пропускалось только при выполнении следующих обязательных условий: ежегодном опорожнении водохранилища до уровня мертвого объема (УМО) 500 м, одновременной работы всех гидроагрегатов с полной нагрузкой и средним расходом воды 3400 м³/с, началом холостого сброса воды при уровне заполнения 535 м с максимальным расходом воды через все 11 отверстий водосброса (расход воды увеличивался с увеличением напора с 12500 м³/с при уровне 535 м до 13640 м³/с при уровне 544,5 м) и заполнении водохранилища до форсированного подпорного уровня (ФПУ) 544,5 м.

В.И.Брызгалов (первый генеральный директор Саяно-Шушенского гидроэнергокомплекса) в своей книге "Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций" указывал:

Поверочный расчет пропуска катастрофического половодья исходит из идеальных условий и не содержит в себе никакого запаса на случай непредвиденных обстоятельств.

Считалось, что такое редкое половодье может сформироваться только при наложении экстремального дождевого паводка, а второй дождевой паводок с расходом до 16300 м³/с маловероятен в одном и том же году и не опасен для нижнего бьефа, рассчитанного на пропуск сбросного расхода 17000 м³/с.

Совершенно очевидно наличие в расчете дефицита порожнего объема водохранилища, поскольку был применен способ заблаговременного начала холостого сброса воды до заполнения объема водохранилища с уровня 535 м.

Также очевидно, что по принятой версии гидрографа была определена расчетная величина того излишнего объема притока воды в половодье и дождевой паводок, который заставил применить заблаговременное начало холостого сброса воды с уровня 535 м.

Первоначальный расчет гидрологической безопасности Саяно-Шушенского гидроузла не был ошибочным, хотя не имел какого-либо запаса надежности и был выполнен на пределе возможного. Проектировщики шли на вполне осознанный риск, принимая такое решение как сугубо временное до создания Сейбинского и Уюкского гидроузлов на Большом Енисее в Туве, которые запланировано было начать строить в 1975 году.

Позже в инструкцию по эксплуатации водосброса № 1047-10-119т, разработанную "Ленгидропректом" совместно с ВНИИГ (Всесоюзным научно-исследовательским институтом гидротехники) в 1989 году, были внесены три существенных изменения: начинать холостой сброс воды при достижении уровня 535 м можно только при его достижении 15 июня и дальнейшем нарастании интенсивности подъема уровня более 2 м в сутки, максимальный расход воды через водосброс ограничивается при НПУ 540 м до 9480 м³/с, при ФПУ 544 м – до 9900 м³/с, а максимальный сбросной расход воды в нижний бьеф снижается до 13300 м³/с. При расходе воды через турбины 2100 м³/с холостой сброс воды обязаны были начинать при уровне 523 м.

Как отмечал еще в 1998 году К.К.Кузьмин в журнале "Гидротехническое строительство":

“Появившиеся в более поздних расчетах Ленгидропроекта предложения о возможности снизить величину расчетного сброса через плотину с 13600 м³/с до 9900 м³/с могут рассматриваться только как снижение гарантии надежности гидроузла”.

Схема регулирования с использованием заблаговременного начала холостого сброса воды обычно применяется на равнинных реках с ограниченными возможностями по созданию водохранилищ большого объема, но допускающими большие сбросные расходы воды в нижние бьефы гидроузлов. На Енисее налицо все прямо противоположные возможности.

Последний перерасчет гидрологической безопасности “Уточнение пропускной способности водосбросных сооружений с учетом дополнительного водосброса” (инв. № 1047-1-126т, 2003г) был выполнен для сниженного НПУ 539 (полезный объем 14,71 км³), для сниженного ФПУ 540м (резервный объем 0,62 км³), для сниженного сбросного расхода воды в нижний бьеф до 13300 м³/с (1800 – турбины, 7500 – эксплуатируемый водосброс, 4000 – дополнительный береговой водосброс). Холостой сброс воды при пропуске половодья обеспеченностью 0,01% + ? предписано было начинать при уровне 520 м.

Здравый смысл подсказывал, что необходимо было отказаться от снижения сбросного расхода воды в нижний бьеф, то есть отказаться от строительства Майнского гидроузла в пользу продолжения гидротехнического строительства в верховье в Туве, вплотную заняться регулированием притока, а не сброса воды.

По этому перерасчету весеннее половодье обеспеченностью 0,01% + ? пропускается: в июне 7500 + 4000 + 1800 = 13300 м³/с, в июле 2000 + 3200 + 1800 = 7000 м³/с (скорость наполнения водохранилища между отметками 520 – 530м – 2,5 м в сутки, выше отметки 530м – первые три дня 1,5 м в сутки, затем 0,9 м в сутки, достижение отметки 539,5м).

Пропуск летне-осенних паводков обеспеченностью 1; 0,1 и 0,01% + ? осуществляется через эксплуатационный и береговой водосбросы, при этом через эксплуатационный водосброс пропускается до 2000 м³/с (0,1%) и 7500 м³/с (0,01%).

В первоначальном расчете и в последующих перерасчетах не указывается величина расхода воды через водосброс в начале холостого сброса воды. Если в первоначальном расчете гидрологическая безопасность не обеспечивалась при максимальном заполнении водохранилища до ФПУ 544,5 м и максимальном расходе воды через водосброс 13640 м³/с, то естественно предположить, что минимальный уровень начала холостого сброса воды 535 м определялся при максимальном расходе воды через водосброс при напоре, соответствующем этому уровню.

По такой логике расчетов при уровне воды 520 м водосброс Саяно-Шушенской ГЭС должен пропускать 10500 м³/с и этот расход воды должен увеличиваться с ростом уровня и напора воды до 11400 м³/с при уровне 527 м, когда в работу включится береговой водосброс. На такие расходы водосброс физически способен, но его пропускную способность ограничивает до 7500 м³/с водобойный колодец. Поэтому следовало запроектировать дополнительный береговой водосброс так, чтобы уже при уровне 520 м он мог пропускать недостающие 10500 – 7500 = 3000 м³/с и увеличивать сброс воды с ростом уровня.

Но береговой водосброс СШГЭС начинает работать только при достижении уровня 527м с расходом воды около 400 м³/с, далее с расходом 1700 м³/с при уровне 532м, с расходом 2400 м³/с при уровне 534 м, с расходом 3500 м³/с при уровне 537 м и с расходом 4000 м³/с при НПУ. Эта ошибка обязывает назначить более раннее начало холостого сброса воды минимум при уровне 510 м.

На практике расчет пропускной способности водосброса выполняется с учетом трансформации (снижения) расхода притока в объеме водохранилища. Это означает, что холостой сброс воды при пропуске половодья обеспеченностью 0,01% + ? должен начинаться только после заполнения объема водохранилища. Только при таком подходе логично включать в расчет расход воды через турбины, в том числе даже через все одновременно работающие турбины, поскольку в случае длительной остановки турбин можно рассчитать момент заблаговременного начала холостого сброса воды и заблаговременно сбросить заранее рассчитанный объем воды.

Заблаговременное начало холостого сброса воды является основным резервом гидрологической безопасности гидроузла, предназначенным для пропуска катастрофического притока воды (притока выше расчетного), а также для временной компенсации расчетного параметра гидрологической безопасности, сниженного в результате аварии на плотине, водосброс, ГЭС, в нижнем бьефе и энергосистеме.

Проектная организация, к сожалению, пошла на постоянное использование резерва гидрологической безопасности (без его оперативного восстановления) не только после аварий, которые случились позже, а еще раньше при пересчете снижения сбросного расхода воды в нижний бьеф с 17000 до 13300 м³/с, при снижении расхода воды через турбины с 3400 до 1800 м³/с.

Временно использованный резерв гидрологической безопасности обязаны были оперативно восстановить путем создания гидроузлов в верховье, а при невозможности (если бы весь каскад в верховье был уже построен) за счет снижения паспортной величины среднегодовой выработки электроэнергии, то есть за счет ежегодного увеличения объема холостого сброса воды по сравнению с ранее рассчитанным объемом.

Схема регулирования, предусматривающая заблаговременное начало холостого сброса воды до заполнения полезного объема водохранилища, по своей сути представляет заведомое использование резерва гидрологической безопасности, несовместимое с ныне выполняемым регулированием по гидрографу года средней водности.

Проектную организацию не остановили даже аварии на плотине, водосбросе и ГЭС. Она продолжает утверждать, что путем заблаговременного холостого сброса воды с самого начала половодья обеспеченностью 0,01% + ? и даже катастрофического (выше расчетного) вполне можно справиться с пропуском притока воды двумя водосбросами.

До аварии на Саяно-Шушенской ГЭС 17 августа 2009 года условием надежной и безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений считалось ежегодное опорожнение водохранилища к началу половодья до уровня мертвого объема (УМО) 500 м и его наполнение до нормального подпорного уровня (НПУ) 539 м. В августе допускался подъем уровня до 538 м, а к середине сентября до НПУ 539 м. Продолжительность работы на уровне 539 м не должна была превышать 3-4 недель. При заполнении полезного объема водохранилища до уровня 520 м скорость наполнения не ограничивалась, до уровня 530 м не должна была превышать 1,5 м в сутки, далее до уровня 539 м не должна быть выше 0,7 м в сутки. Наполнение водохранилища выше форсированного подпорного уровня (ФПУ) 540 м с 1996 года считалось недопустимым (первоначально проектом разрешалось заполнение до уровня ФПУ 544,0 – 544,5 м).

Эти условия были определены путем кабинетных расчетов по версиям гидрографов. Выдержать на практике вышеуказанные условия невозможно, что многократно подтверждалось в 1984-1996 годах (см. книгу В.И.Брызгалова “Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций”). Например, в 2006 году в период вялотекущего половодья водохранилище заполнилось до высокого уровня, но холостой сброс не выполнялся, поскольку скорость наполнения была значительно меньше 1,5 м в сутки, а в июле пришлось сбрасывать 15 км³ воды мимо турбин с расходом 5500 м³/с через водосброс.

Подобная картина повторилась в 2007 году на Зейском гидроузле, где внедрена та же схема регулирования с заблаговременным началом холостого сброса воды и та же последовательность строительства гидроузлов. Подобная картина нас ждет на Бурее, где уже начали строить гидроузел в нижнем бьефе.

Межведомственная рабочая группа по регулированию признает невозможность определения прихода притока воды обеспеченностью 0,1 – 0,01%. На практике регулирование вынуждены выполнять с большим риском по графику года средней водности. Такое регулирование не может гарантировать гидрологическую безопасность на Енисее.

Дополнительным ориентиром при пропуске расчетного половодья обеспеченностью 0,01% + ? сейчас служит величина расхода притока воды у Кызыла после слияния Большого Енисея и Малого Енисея, определяемая по максимальным уровням.

В основу физико-статистической модели долгосрочного прогноза максимальных уровней воды реки Енисей у города Кызыла положены исследования Л.Г. Шуляковского, показавшего возможность использования для этой цели регрессионных моделей, учитывающих факторы, наиболее полно характеризующие условия формирования максимальных уровней воды.

Д.А.Бураков, В.Ф.Космакова, И.Н.Гордеев своими расчетами доказали, что средняя оправдываемость этого метода прогноза максимальных уровней воды весеннего половодья у города Кызыла за четыре года испытаний в 2007-2010 годах составила 100%.

Этот метод внедрен в оперативную практику гидрологических прогнозов в качестве основного расчетного метода, поскольку другого метода нет, а согласно действующим наставлениям по гидрологическим прогнозам целесообразно использовать методику долгосрочного прогноза, оправдываемость проверочных прогнозов которой 70% и более.

Но авторы методики справедливо признают, что в годы с повышенным летним дождевым стоком вообще трудно выявить максимальный уровень весеннего половодья. Точнее сказать максимальный уровень не может служить ориентиром для определения максимального объема и расхода притока воды в половодье и дождевой паводок.

Главной проблемой всегда считался пропуск неожиданного дождевого паводка, но не половодья. Тогда как именно при пропуске половодья выполняется регулирование скорости наполнения водохранилища и создается запас порожней емкости для пропуска дождевого паводка.

Выполнить перерасчет расходов и объемов воды, определить скорость наполнения и определить момент начала холостого сброса воды по принятой версии гидрографа половодья можно сидя в кабинете, но реализовать на практике такую схему регулирования при отсутствии фактического гидрографа в принципе невозможно.

Регулирование стало непредсказуемым, заполнение Саяно-Шушенского водохранилища искусственно задерживается даже в маловодные годы, так как объемы холостого сброса воды на СШГЭС увеличиваются из-за снижения всех первоначальных расчетных параметров гидрологической безопасности гидроузла и крайне неравномерного притока воды в водохранилище с гор, с огромной площади водосбора.

При существующей схеме регулирования после аварии на Саяно-Шушенской ГЭС для обеспечения гарантии гидрологической безопасности гидроузла холостой сброс воды обязан ежегодно начинаться задолго до начала заполнения объема водохранилища СШГЭС, чтобы успеть сбросить известный излишек объема притока воды и избежать аварии. Но эта необходимость игнорируется.

Как и раньше предусматривается ежегодное опорожнение Саяно-Шушенского водохранилища до уровня мертвого объема водохранилища (УМО) 500 м к началу половодья.

Исключительно важной особенностью нынешнего регулирования является недопустимость заполнения водохранилища СШГЭС выше уровня 527,0 м при пропуске половодья, поскольку вынуждены сохранять запас порожней емкости водохранилища между уровнями 527,0 м и 537,5 м в объеме 5,385 км³, по крайней мере, в течение двух декад июля на случай пропуска неожиданного дождевого паводка редкой повторяемости, и недопустимость заполнения водохранилища выше уровня 537,5 м по состоянию плотины СШГЭС.

На Енисее нижние бьефы гидроузлов по условиям фактической застройки берегов не могут пропускать сбросные расходы выше 10000 – 11500 м³/с (Майнская ГЭС при остановке турбин в том числе). Проблему снижения сбросного расхода воды в нижний бьеф Саяно-Шушенского гидроузла следовало решать с самого начала создания гидроузла, а она решается единственным путем регулирования притока воды в водохранилище, а не сброса воды в нижний бьеф.

В условиях неизвестности будущего гидрографа обеспечение гарантии гидрологической безопасности возможно только при ежегодном регулировании по году с максимальным расчетным притоком воды в водохранилище.

Для этого необходимо срочно строить хотя бы регулирующие емкости в верховье в горах в Туве (водохранилища с полным ежегодным опорожнением), задерживать там известный излишек объема притока воды (15 км³ при нынешней схеме выдачи мощности ГЭС или 7,5 км³, если будут созданы условия для выдачи всей установленной мощности ГЭС в энергосистему), что позволит:

• – перейти к схеме регулирования со своевременным началом холостого сброса воды после заполнения объема водохранилища;
• – полностью восстановить ранее использованный резерв гидрологической безопасности;
• – обеспечить эффективное регулирование скорости наполнения водохранилища;
• – снизить максимальный сбросной расход воды в нижний бьеф до допустимой величины 11400 м³/с (2400 турбины, 4000 – береговой водосброс, 5000 – эксплуатируемый водосброс);
• – использовать береговой водосброс при пропуске половодий;
• – повысить гидрологическую безопасность на Енисее, включая Туву;
• – увеличить выработку электроэнергии на всех енисейских ГЭС, в том числе в зимний период времени.

При такой идеологии регулирования не будет необходимости в знании будущего гидрографа. Для обеспечения гарантии гидрологической безопасности вполне достаточно будет знать минимальное расчетное время заполнения полезного объема водохранилища, которое и будет ориентиром для заблаговременного начала холостого сброса воды.

Дальнейший совершенно неоправданный риск недопустим.

Напомню, что 30 июня 2010 года по результатам расследования причин аварии на Саяно-Шушенской ГЭС Президиум Академии наук вовсе не случайно предложил в будущем применять новые схемы использования водной энергии с более низкими напорами и выносом регулирующих емкостей на притоки.

Нельзя вовсе исключать в перспективе необходимости дальнейшего снижения НПУ по состоянию Саяно-Шушенской плотины, а это возможно осуществить только путем регулирования притока воды в водохранилище.

Владимир Иннокентьевич Бабкин,
ветеран труда и энергетики, участник создания и эксплуатации всех гидроузлов на Енисее с 1962 по 2001 год,
специально для "Плотина.Нет!"