10884
.pdfпроектируемой зарегулированности стока с учетом безвозвратных потерь воды представляет собою водохозяйственный расчет [347; 385].
Отдачу водохранилищ связывают с надежностью водообеспечения [385; 598; 599]. Показателем надежности является гарантированная отдача, под ней понимается минимальный расход воды или мощность ГЭС, которые могут быть предоставлены с некоторой вероятностью. Вероятность задается в виде расчетной обеспеченности (вероятности превышения)
= /( + 1), где – число лет, в течение которых обеспечивается необходимая отдача; – общее число лет. Расчетная обеспеченность обосновывается технико-экономическими расчетами. В предварительном порядке ее можно принимать по табл. 12.3.
Т а б л и ц а 1 2 . 3
Обеспеченность отдачи водохранилища по числу бесперебойных лет
[385; 598]
Направление отдачи |
Обеспеченность, % |
Промышленное водоснабжение |
95…97 |
Водоснабжение ТЭС |
97…99 |
Гидроэлектростанции крупные |
85…98 |
Орошение земель |
75…85 |
Водный транспорт |
85…95 |
Изложенное сопровождается сведениями о годовых водных балансах энергетических водохранилищ, расположенных в разных регионах страны.
Основную роль в питании Рыбинского водохранилища играют воды трех рек – Волги и ее притоков Мологи и Шексны. Сезонное распределение притока в Рыбинское водохранилище в результате влияния вышележащих Иваньковского, Угличского и Шекснинского гидроузлов отличается от естественного, однако внутригодовое перераспределение стока не повлияло на основные составляющие его водного баланса. Фактический средний многолетний приток к водохранилищу (35,36 км3/год) близок к проектному (34,0 км3/год). В состав притока 2,26 км3/год (6,39 %) привносят осадки на поверхность водохранилища. За период наблюдений 1947 – 1991 гг. приток по годам изменялся в пределах 17,45 – 56,62 км3/год. В фактическом среднемноголетнем расходе воды 35,36 км3/год сток через гидроузел составил 33,30 км3/год (94,17 %), а на испарение с поверхности водохранилища пришлось 2,06 км3/год (5,82 %) – значительно больше проектной величины 0,4
км3/год [112; 462].
240
В табл. 12.4 помещены сведения о среднем многолетнем водном балансе остальных волжских водохранилищ с учетом притока, осадков, стока и испарения.
Т а б л и ц а 1 2 . 4
Средний многолетний водный баланс водохранилищ Волжского каскада [112]
|
Ряд |
|
Приход, км3/ год |
|
|
||
Водохранилище |
наблюдений, |
Приток |
Осадки |
Сумма |
Пределы из- |
||
|
годы |
менений |
|||||
|
|
|
|
||||
Иваньковское |
1951 – 1990 |
10,07 |
0,19 |
10,26 |
4,94 – 17,90 |
||
Угличское |
1948 – 1990 |
11,46 |
0,15 |
11,61 |
5,35 – 22,00 |
||
Рыбинское |
1947 – 1991 |
33,10 |
2,26 |
35,36 |
17,45 |
– 56,62 |
|
Горьковское |
1957 – 1990 |
49,53 |
0,95 |
50,48 |
26,92 |
– 69,03 |
|
Чебоксарское |
1981 – 1990 |
118,8 |
0,61 |
119,50 |
98,89 – 146,54 |
||
Куйбышевское |
1957 – 1991 |
244,3 |
2,92 |
247,22 |
160,60 – |
||
353,81 |
|||||||
|
|
|
|
|
|||
Саратовское |
1969 – 1990 |
248,3 |
0,98 |
249,28 |
170,16 – |
||
342,82 |
|||||||
|
|
|
|
|
|||
Волгоградское |
1962 – 1990 |
259,2 |
1,24 |
260,44 |
164,3 |
– 337,3 |
|
|
Ряд |
|
Расход, км3/ год |
|
|
||
Водохранилище |
наблюдений, |
Сток |
Испаре- |
Сумма |
Пределы из- |
||
|
годы |
ние |
менений |
||||
|
|
|
|||||
Иваньковское |
1951 – 1990 |
10,09 |
0,17 |
10,26 |
5,22 – 17,12 |
||
Угличское |
1948 – 1990 |
11,47 |
0,14 |
11,61 |
5,52 |
– 22,9 |
|
Рыбинское |
1947 – 1991 |
33,30 |
2,06 |
35,36 |
16,78 |
– 51,46 |
|
Горьковское |
1957 – 1990 |
49,57 |
0,91 |
50,48 |
26,79 |
– 68,85 |
|
Чебоксарское |
1981 – 1990 |
118,78 |
0,72 |
119,50 |
94,97 – 145,29 |
||
Куйбышевское |
1957 – 1991 |
243,86 |
3,36 |
247,22 |
169,69 – |
||
350,68 |
|||||||
|
|
|
|
|
|||
Саратовское |
1969 – 1990 |
247,96 |
1,31 |
249,28 |
163,21 – |
||
332,95 |
|||||||
|
|
|
|
|
|||
Волгоградское |
1962 – 1990 |
258,98 |
1,46 |
260,44 |
168,7 |
– 335,2 |
Иркутское водохранилище, включая подпертое оз. Байкал, является головным для Ангарского каскада ГЭС. Речной приток, формирующийся с площади 540000 км2, служит основной компонентой приходной части его водного баланса (80 – 88 %). Две трети притока обеспечиваются тремя основными реками – Селенгой, Верхней Ангарой и Баргузином. Атмосферные осадки оставляют 12 – 20 % прихода. Расходную часть водного баланса формируют сток из озера через р. Ангару (73 – 86 %) и испарение с его акватории (14 – 27 %) [567]. На рис. 12.9 немного другие данные, т.к. рассмотрен другой временной период [117]. Основные изменения стока после зарегулирования Байкала коснулись внутригодового распределения, которое раньше
241
Рис. 12.9. Структура водного баланса оз. Байкал за периоды естественного 1901 – 1958 гг. и зарегулированного 1981 – 2005 гг. режимов [117]
Рис. 12.10. Внутригодовое распределение элементов водного баланса оз. Байкал в условиях зарегулированного режима за 1962 – 2008 гг.:
1 – приток; 2 – сток; 3 – осадки; 4 – испарение [567]
Рис. 12.11. Изменение основных элементов водного баланса Красноярского водохранилища в начальный период эксплуатации:
1 – приток; 2 – сброс; 3 – превышение притока над сбросом; 4 – превышение сброса над притоком [676]
242
соответствовало изменениям притока, а теперь существенно выровнялось
(рис. 12.10) [567].
Для Красноярского водохранилища сток рек (Енисея, Абакана и Тубы) в приходной части водного баланса составляет не менее 98 %, остальное приходится на осадки и оттаявший лед. В расходной части баланса 96 – 98 % составляет сброс воды через ГЭС, 2 – 4 % – испарение и фильтрация. Превышение притока воды над сбросом наблюдается в течение 5 – 7 месяцев в году (рис. 12.11). Примерно так же выглядят водные балансы других водохранилищ Ангаро-Енисейского каскада (табл. 12.5) [112; 676].
Т а б л и ц а 1 2 . 5
Средний годовой водный баланс водохранилищ Ангаро-Енисейского каскада [112]
Водохранилище |
Период |
Приходная часть, км3 |
Расходная часть, км3 |
||||
приток |
осадки |
сброс |
испарение |
||||
|
|
|
|||||
Братское |
1962 |
– 1980 |
91,30 |
1,62 |
90,98 |
1,94 |
|
Усть-Илимское |
1977 |
– 1980 |
100,44 |
0,76 |
100,60 |
0,60 |
|
Саяно-Шушенское |
|
– |
46,70 |
0,31 |
46,70 |
0,31 |
|
Красноярское |
1967 |
– 1980 |
87,02 |
0,69 |
86,47 |
1,24 |
В табл. 12.6 выписаны показатели водного баланса некоторых водохранилищ северо-востока России.
Т а б л и ц а 1 2 . 6
Средний годовой водный баланс водохранилищ северо-востока [112]
Водохранилище |
Период |
Приходная часть, км3 |
Расходная часть, км3 |
|||
приток |
осадки |
сброс |
испарение |
|||
|
|
|||||
Курейское |
– |
19,22 |
0,45 |
19,50 |
0,17 |
|
Вилюйское |
1974 – 1980 |
18,13 |
0,60 |
17,95 |
0,78 |
|
Зейское |
– |
23,04 |
1,20 |
23,37 |
0,87 |
Приведенная сводка данных позволяет видеть, что структура годовых водных балансов российских водохранилищ сравнительно однообразна.
12.4. Водный режим нижних бьефов гидроузлов
Характерные черты водного режима в нижних бьефах гидроузлов определяются видом регулирования стока, в наибольшей мере проявляясь на свободных, т.е. не подпертых нижележащими водохранилищами участках рек.
243
При сезонном регулировании (выравнивании) уменьшаются половодные и возрастают меженние (летние и зимние) среднесуточные расходы воды в нижних бьефах энергетических гидроузлов. Сезонное регулирование стока крупных рек сказывается на режиме уровней нижних бьефов на протяжении многих километров.
Волжско-Камский каскад ГЭС и водохранилищ существенно смягчил ситуацию с половодьями и значительно улучшил ситуацию с летними меженями на Волге и Каме. Так, Рыбинское водохранилище срезает пики половодий Верхней Волги вероятностью превышения 0,1 % с 13 000 до 8 600 м3/с, а вероятностью превышения 10 % – с 9 600 до 3 000 м3/с. Столь значительное уменьшение расходов воды привело к снижению половодных уровней на 4 – 7 м. Благодаря же увеличению меженних расходов более чем в 2 раза уровни до г. Нижнего Новгорода повысились на 1,5 м по сравнению с бытовыми [7]. Гарантированная для судоходства глубина р. Волги до ее реконструкции составляла в верховье 0,4 – 0,5 м, с зарегулированием реки она приблизилась к 4 м [108]. Аналогично – в нижних бьефах других волжских и камских гидроузлов (табл. 12.7).
Т а б л и ц а 12.7
Увеличение навигационных расходов в нижних бьефах гидроузлов на реках Волге и Каме
в связи с зарегулированием стока [7; 462; 496]
|
|
|
Расходы и обеспеченность |
|
|
|
|
в условиях регулирования |
в естественных условиях |
||
Река |
Водохранилище |
расход |
обеспечен- |
расход, |
обеспечен- |
|
|
попуска, |
ность |
м3/с |
ность, |
|
|
м3/с |
% |
|
% |
Волга |
Горьковское |
1 100 |
90 |
450 |
96 |
− ” − |
Куйбышевское |
4 000 |
97 |
2 400 |
96 |
− ” − |
Волгоградское |
4 000 |
97 |
2 310 |
96 |
Кама |
Камское |
900 |
90 |
485 |
97 |
− ” − |
Воткинское |
1 000 |
95 |
530 |
96 |
На р. Зее, впадающей в р. Амур у г. Благовещенска, работает Зейская ГЭС (см. рис. 7.9) с водохранилищем полным объемом 68,42 км3, полезным объемом 38,26 км3 и резервной емкостью между отметками НПУ и ФПУ 18,98 км3, построенная в 1965 – 1968 гг. Водохранилище ведет многолетнее регулирование стока и, наряду с энергетической функцией, выполняет
244
функцию предотвращения наводнений в долинах рек Зеи и Амура за счет аккумуляции паводкового стока в полезной и резервной емкостях [52]. В летний паводок 2007 г. редкой повторяемости с максимумом 15200 м3/с (см. раздел 7.2) оно срезало его пик до 4844 м3/с (рис. 12.12), так что в нижнем бьефе затопило только участки с неконтролируемой застройкой [81].
Рис. 12.12. Уровни воды в верхнем и нижнем бьефах Зейского гидроузла в паводок 2007 г. [81]
245
Неудобства от сезонного регулирования стока проявляются зимой, особенно на крупных реках Сибири и Северо-Востока. При увеличении зимних расходов и уровней воды местами происходит затопление пониженных участков пойм с образованием наледей [296].
Для р. Енисея соотношение расходов июня (половодье) и марта (зимняя межень) составляло в створе Красноярской ГЭС – 17,8, у г. Енисейска ниже впадения р. Ангары – 8,2. После зарегулирования стока водохранилищами Братской и Красноярской гидроэлектростанций это соотношение уменьшилось в нижнем бьефе Красноярской ГЭС у г. Красноярска до 3,0, у г. Енисейска – до 3,6. В результате в нижнем бьефе Красноярской ГЭС зимой наблюдаются более высокие против бытовых уровни воды. Аналогичная обстановка создалась на р. Енисее ниже устья р. Ангары: на участке от г. Енисейска до г. Игарки средние уровни летнего периода оказались на 0,5
– 0,8 м ниже, чем были при естественном состоянии реки, а зимние уровни стали на 0,1 – 0,6 м выше. Таким образом, регулирующее влияние водохранилищ Красноярской и Братской ГЭС распространилось на большую часть длины р. Енисея [114].
Водохранилище Колымской ГЭС на р. Колыме работает в обычном режиме сезонного регулирования стока. Увеличение зимних расходов Колымской ГЭС вызывает повышение уровней воды на расстоянии более тысячи километров вниз по реке (табл. 12.8).
Т а б л и ц а 1 2 . 8
Изменение среднемесячных зимних расходов и уровней воды р. Колымы после пуска Колымской ГЭС [416]
|
Естественные условия |
После пуска ГЭС |
|||
|
в 1989 – 1990 гг. |
||||
|
|
|
|||
|
снижение рас- |
понижение |
|
повышение |
|
Пункт |
ходов воды с |
уровней |
расходы |
уровней |
|
|
октября по |
воды за зим- |
воды, |
воды против |
|
|
март-апрель, |
ний период, |
м3/с |
естествен- |
|
|
м3/с |
м |
|
ных, м |
|
Створ Колымской ГЭС |
от 150 |
0,84 |
225 – 350 |
– |
|
(Синегорье) |
до 2 – 3 |
||||
|
|
|
|||
Створ Усть-Средне- |
от 240 |
|
|
|
|
канской ГЭС (230 км |
0,76 |
250 – 380 |
1,4 – 2,8 |
||
до 6 – 5 |
|||||
ниже по течению) |
|
|
|
||
|
|
|
|
||
г. Среднеколымск |
от 980 |
|
|
|
|
(1240 км ниже Колым- |
0,73 |
300 – 450 |
0,7 |
||
до 65 – 55 |
|||||
ской ГЭС) |
|
|
|
||
|
|
|
|
Строящаяся в 230 км ниже Усть-Среднеканская ГЭС будет работать
246
на стоке, прошедшем через агрегаты Колымской ГЭС, пропуская транзитом через свой водосброс ее паводковые сбросы и боковую приточность. УстьСреднеканское водохранилище будет наполняться в зимний период избыточным стоком из Колымского водохранилища и срабатываться осенью к концу навигации. Таким образом оно выполнит функции регулирования судоходных попусков, способствуя сохранению соответствующего объема воды в Колымском водохранилище, а также смягчит влияние Колымской ГЭС на режим уровней р. Колымы [296; 416].
При суточном регулировании резко колеблется величина сбросов воды через ГЭС в течение суток, вызывая в нижних бьефах так называемые волны попусков. Движение волн попусков по нижнему бьефу проявляется в непродолжительных последовательных колебаниях уровней воды. На больших реках эти колебания прослеживаются на расстояние 50 – 100 км. Внутрисуточные колебания уровней в навигационный период могут мешать судоходству. Зимой они нарушают ледовый режим в нижних бьефах гидроузлов.
Для уменьшения внутрисуточных колебаний уровней в нижних бьефах крупных гидроузлов строят контррегуляторы. Примером можно назвать Майнский гидроузел, расположенный в 21,5 км ниже Саяно-Шушенской ГЭС по течению р. Енисея. Он включает гидростанцию мощностью 107 МВт и водосливную плотину (рис. 12.13). Полезный объем Майнского водохранилища 0,0487 км3 позволяет выравнивать суточные колебания расходов воды Саяно-Шушенской ГЭС. Паводковые сбросные расходы СаяноШушенской ГЭС Майнский гидроузел пропускает транзитом [656].
Рис. 12.13. Майнский гидроузел на р. Енисее, вид с левого берега
247
Рис. 12.14. Графики колебания уровней воды в нижнем бьефе Нижегородской ГЭС:
1 – расходы ГЭС при суточном регулировании 26 – 28.07.2003 гг.; 2 – измеренные и 3 – расчетные уровни воды у г. Городца (6,22 км от ГЭС) при ВПУ = 63,0 м
Чебоксарского водохранилища; 4 – расчетные уровни воды у г. Городца при НПУ = 68,0 м Чебоксарского водохранилища;5 – то же у г. Балахны (28,32 км от ГЭС);6 – то же у с. Б. Козино (41,0 км от ГЭС) [421]
Рис. 12.15. Уровни воды в створах наблюдений нижнего бьефа Волгоградского гидроузла при суточном регулировании
в ноябре-декабре 1962 г.: 1 – нижний бьеф; 2 – Волгоград; 3 – Красноармейск; 4 – Светлый Яр; 5 – Каменный Яр [7; 120]
248
На р. Волге после сооружения каскада водохранилищ остались два свободных (неподпертых) участка: в нижних бьефах Нижегородской и Волжской (Волгоградской) гидростанций. Внутрисуточные колебания уровней воды распространяются в нижние бьефы от Нижегородской ГЭС на 40 км (рис. 2.14), от Волгоградского гидроузла более чем на 100 км (рис.
12.15).
На схеме Волжского каскада 1960-х гг. ниже Волгоградского гидроузла в районе с. Енотаевки присутствовал еще один – Нижне-Волжский гидроузел. Его намеревались построить с напором около 16 м. Кроме обеспечения мероприятий по улучшению сельскохозяйственного использования Волго-Ахтубинской поймы, водохранилище могло бы выполнять функцию контррегулятора Волжской (Волгоградской) ГЭС. Гидроузел остался в «относительно отдаленной перспективе» [108].
Рассмотрим пристальнее нижний бьеф Нижегородского гидроузла,
из-за отсутствия проектного подпора от Чебоксарского водохранилища пребывающий в свободном (бытовом) состоянии.
Одной из основных задач каскада гидроузлов на р. Волге было создание глубоководной системы в европейской части страны для перевода водного транспорта на крупные речные суда. Отметка подпора Чебоксарского гидроузла принималась минимальной по условиям сопряжения его с вышележащим Горьковским (Нижегородским) гидроузлом и неподтопления г. Горького (Нижнего Новгорода), заречная часть которого страдала от наводнений в бытовых условиях [397].
Чебоксарский гидроузел строился 17 лет: в 1968 г. были начаты подготовительные работы, в 1969 г. – строительство гидроэлектростанции, в 1981 г. пущен ее 1-й, а в 1986 г. – последний 18-й агрегат [108].
Среднемноголетний сток в створе гидроузла равен 111,7 км3/год. Его составляют расходы р. Волги, зарегулированные вышележащими водохранилищами, и боковая приточность, большую часть которой (54,2 км3/год) дают реки Ока, Сура и Ветлуга [121].
Чебоксарское водохранилище расположено в пределах Чувашской и Марийской республик и Нижегородской области. Его проектный НПУ равен 68,0 м БС, УМО = 65,0 м БС. С 1982 г. до настоящего времени водохранилище эксплуатируется с ВПУ = 63,0 м БС ± 0,3 м при отсутствии регулирующей емкости (табл. 12.9).
Из-за пониженного на 5 м напора Чебоксарская ГЭС недобирает около 40 % из установленной мощности 1370 МВт и не участвует в сезонном
249