Как наши гидроузлы стали источниками повышенной опасности

Гидроузлы, особенно крупные, обязаны в любой момент эксплуатации иметь запас пропускной способности (резерв гидрологической безопасности) на непредвиденные обстоятельства, которые, как правило, возникают неожиданно. По многочисленным причинам, зависящим далеко не только от ГЭС, могут на длительный период остановиться все турбины ГЭС. После катастрофы Саяно-Шушенской ГЭС вряд ли кто-нибудь станет выражать несогласие с такими выводами.

Реальным основным запасом (резервом) пропускной способности при заполнении и опорожнении полезного объема водохранилища может быть только пропускная способность водосброса и турбин, не включенная в расчет пропуска половодий и дождевых паводков.

Реальным дополнительным запасом (резервом) пропускной способности при заполнении и опорожнении резервного объема водохранилища может быть только повышенная пропускная способность водосброса и турбин ГЭС, не включенная в расчет пропуска половодий и дождевых паводков.

К сожалению, в наших нормативах даже такой термин отсутствует. Именно потому большинство гидроузлов не имеют водосбросов с глубинным водозабором. Более того, вместо снижения расхода и объема притока воды в водохранилище создается повышенная пропускная способность гидроузла, которую стали считать тем запасом, который гарантирует безопасность гидроузла.

Например, на Саяно-Шушенском гидроузле построен дополнительный береговой туннельный водосброс и создана повышенная пропускная способность гидроузла, равная 19190 м³/с. Ее стали считать гарантом безопасности гидроузла.

В чем же состоит принципиальное отличие запаса (резерва) пропускной способности и повышенной пропускной способности гидроузла? Их чрезвычайно важно различать.

Резерв гидрологической безопасности гидроузла – это возможность в любой момент постоянной эксплуатации при возникновении непредвиденного обстоятельства включить в работу водосброс или все турбины одновременно. Этот резерв обязан оставляться (создаваться) при выполнении расчетов.

А повышенная пропускная способность гидроузла – это вынужденное включение в работу водосбросных сооружений или всех турбин ГЭС одновременно, как правило, в случае повышенного притока воды при заполненном объеме водохранилища.

Вынужденное включение в работу водосбросных сооружений или всех турбин ГЭС одновременно связано, как правило, с дефицитом порожней емкости водохранилища и с отсутствием запаса (резерва) пропускной способности гидроузла, который ранее был заведомо использован в расчетах на компенсацию дефицита порожней емкости водохранилища.

Вынужденное включение в работу водосбросных сооружений или всех турбин ГЭС одновременно в случае повышенного притока воды при заполненном объеме водохранилища неизбежно приводит к затоплению объектов в нижнем бьефе. Очевидно, что такой подход к регулированию речного стока противоречит требованиям Федерального Закона “О безопасности гидротехнических сооружений”.

Строительные нормы и правила (СНиП) обязывают пропуск расчетного расхода притока воды вероятностью превышения 0,1% (основной расчетный случай) обеспечивать, как правило, при нормальном подпорном уровне (НПУ), а пропуск расчетного расхода притока воды вероятностью превышения 0,01% с гарантийной поправкой ? до 20% (поверочный расчетный случай) — при наивысшем технически и экономически обоснованном форсированном подпорном уровне (ФПУ).

Расчеты по такому правилу не могут дать однозначный результат ни по величине расхода притока воды в водохранилище, который обязан снижаться до максимального расчетного сбросного расхода воды в нижний бьеф, ни по величине порожнего полезного объема, ни по времени его заполнения. Необходимо исключить из текста допущение “как правило”, а далее уточнить текст так: при достижении НПУ и ФПУ.

По расчету при достижении НПУ и ФПУ расходы притока воды ежегодной вероятностью превышения 0,1% и соответственно ежегодной вероятностью превышения 0,01% с гарантийной поправкой ? обязаны снизиться до максимального расчетного сбросного расхода воды в нижний бьеф. СНиП обязывают обеспечивать пропуск расчетного расхода притока воды не любой ценой, а безопасный пропуск.

Существуют нормативы для сравнительно короткого периода строительства гидротехнических сооружений, согласно которым на любом этапе строительства, включая начальный, когда сооружается котлован и еще не создано водохранилище, то есть практически без трансформации (снижения) расхода притока воды, обязан безаварийно осуществляться пропуск расхода притока воды обеспеченностью до 1% включительно.

Почему же пропуск расхода притока воды обеспеченностью менее 1% через постоянные гидротехнические сооружения, располагающие порожними объемами водохранилищ, стал приравниваться к чрезвычайной ситуации? Ответ на этот вопрос будет дан ниже.

1.Как должны были выполняться расчеты порожнего полезного и резервного объемов водохранилищ по СНиП до 1986 года

Порожний объем водохранилища был назван полезным именно потому, что он должен заполняться и опоражниваться за счет разницы расхода притока воды вплоть до основного расчетного случая 0,1% и среднего надежно гарантированного расхода воды через турбины ГЭС.

По расчету к моменту заполнения водохранилища до НПУ расход притока воды должен оказаться равным максимальному расчетному сбросному расходу воды основного расчетного случая 0,1%.

Например, СНиП 2.06.06-85 – Плотины бетонные и железобетонные, п.п.3,29; 5,29; 5.31 обязывали проектировать гидроузел и параметры нижнего бьефа в зависимости от величины сбросного расхода воды в нижний бьеф основного расчетного случая 0,1% так, чтобы величины и порядок открытия затворов назначались исходя из необходимости получения в нижнем бьефе условий, которые не потребуют дополнительных мероприятий для защиты сооружений и прилегающих к ним участков русла по сравнению с основным расчетным случаем.

Необходимая величина порожнего полезного объема обязана была определяться путем выполнения расчетов без применения холостого сброса воды в период заполнения водохранилища до НПУ.

Необходимость в холостом сбросе воды при заполнении порожнего полезного объема могла возникнуть только при непредвиденных обстоятельствах: аварии, отказе в работе оборудования и т.п., то есть холостой сброс воды должен был предназначаться на весь период эксплуатации гидроузла в качестве основного резерва.

Если расход притока воды превышал максимальный расчетный сбросной расход воды в нижний бьеф основного расчетного случая 0,1%, то только тогда разрешалось заполнять порожний резервный объем водохранилища до ФПУ.

Заполнение порожнего резервного объема водохранилища до ФПУ и последующее ускоренное опорожнение до НПУ по расчету обязано было происходить за счет разницы расчетного расхода притока воды в диапазоне менее 0,1% до 0,01% с гарантийной поправкой ? и максимального расчетного сбросного расхода воды в нижний бьеф основного расчетного случая 0,1%.

Иначе говоря, порожний резервный объем водохранилища рассчитывался из условия сохранения максимального расчетного сбросного расхода воды в нижний бьеф основного расчетного случая 0,1%.

2.Как стали выполняться расчеты порожнего полезного и резервного объемов водохранилищ по СНиП после 1986 года

Расчетный расход воды, подлежащий пропуску в процессе эксплуатации через постоянные водопропускные сооружения гидроузла, следует определять исходя из расчетного максимального расхода с учетом трансформации его создаваемыми для данного гидротехнического сооружения или действующими водохранилищами и изменения условий формирования стока, вызванного природными причинами и хозяйственной деятельностью в бассейне реки (СНиП 33-01-2003, п.5.4.2).

Нарушение очередности возведения гидроузлов от верховий к устью привело к нарушению равновесия в системе. Объем стока воды с площади водосбора к створу стал значительно превышать порожний полезный и порожний резервный объемы водохранилищ.

Расчеты пропуска половодий и дождевых паводков стали предусматривать холостой сброс воды в период заполнения порожнего полезного объема и повышенный холостой сброс воды при заполнении порожнего резервного объема.

Это привело к уменьшению порожнего полезного объема на величину объема холостого сброса и к уменьшению порожнего резервного объема на величину повышенного холостого сброса воды, а также к увеличению в два-три раза сбросного расхода воды в нижний бьеф по сравнению со сбросным расходом основного расчетного случая 0,1%.

Правила, к сожалению, не обязывают различать обязательную предполоводную сработку полезного объема водохранилища, которая учитывается в расчетах пропуска половодий и дождевых паводков и выполняется без холостого сброса воды, и холостой сброс воды с пониженного уровня водохранилища, который становится обязательным после его использования при выполнении расчетов.

Если холостой сброс воды с пониженного уровня водохранилища используется при выполнении расчетов, то гидроузел одновременно лишается запаса (резерва) пропускной способности на непредвиденные обстоятельства, порожний полезный объем водохранилища занижается на величину объема холостого сброса воды, а регулирование речного стока попадает в зависимость от прогнозов притока воды, достоверность которых крайне низка.

Начало холостого сброса воды при заполнении порожнего полезного объема водохранилища можно вычислить по версии расчетного гидрографа с вполне достаточной точностью по объему притока воды, но нельзя на практике точно определить момент начала холостого сброса воды по прогнозу притока воды. Особенно опасен заниженный прогноз притока воды.

Поскольку отсутствует резерв пропускной способности гидроузла, то полной гарантии гидрологической безопасности при таком расчете нельзя добиться даже при выполнении холостого сброса воды ежегодно строго по расчету с самого низкого уровня заполнения водохранилища, не обращая внимания на прогноз притока воды

Однако при дефиците порожней полезной и порожней резервной емкости водохранилищ, при полном отсутствии резервов гидрологической безопасности приоритет при эксплуатации водохранилищ продолжает отдаваться энергетике.

“Годовая выработка электроэнергии ГЭС должна быть максимально-возможной в любых по водности условиях, а установленная мощность ГЭС в период прохождения максимума нагрузки энергосистемы должна использоваться без ограничений”, – таковы требования гидроэнергетики к режиму использования водных ресурсов водохранилищ согласно вышеуказанным “Методическим указаниям по разработке правил использования водных ресурсов водохранилищ гидроузлов электростанций” (2000 г.).

Первое требование обязывает сохранять запас воды на случай маловодного периода. Например, Зейское и Красноярское водохранилища без должного на то основания эксплуатируются в режиме многолетнего регулирования, то есть к началу половодий в водохранилищах сохраняется запас воды на случай маловодного периода. Это требование снижает безопасность при пропуске половодий и дождевых паводков, поэтому должно быть отменено.

Второе требование касается надежности работы энергосистем. Известно, что периоды прохождения максимумов нагрузки энергосистем не совпадают с периодом максимальных расходов притока воды. Это означает, что должны быть созданы условия для выдачи всей установленной мощности крупных ГЭС напрямую в энергосистему в течение всего года.

Пока такие условия не созданы, большинство гидроузлов страны не имеют дополнительного резерва гидрологической безопасности, которым мог быть повышенный расход воды через турбины, поскольку ГЭС лишены возможности выдавать всю установленную мощность в энергосистему. Кроме того, второе требование стало одной из причин создания контррегулирующих гидроузлов, снижающих пропускную способность нижних бьефов.

Если учесть, что нижние бьефы продолжают застраиваться бесконтрольно, порожние объемы водохранилищ по различным причинам только уменьшаются, большинство гидроузлов не имеют водосбросов с глубинным водозабором, то есть лишены возможности холостого сброса воды (резерва гидрологической безопасности) во всем диапазоне изменения уровней воды в водохранилищах, а приоритет бездумно продолжает отдаваться энергетике, то, естественно, появляются вовсе не надуманные опасения за будущее гидроэнергетики страны.

Обычными мероприятиями на большинстве гидроузлов страны дополнительно к обязательной ежегодной предполоводной сработке объема водохранилища годичного регулирования, которая выполняется без холостого сброса воды, стали обязательными холостой сброс воды в период заполнения полезного объема и обязательный повышенный сброс воды в период заполнения порожнего резервного объема водохранилищ.

Без преувеличения можно утверждать, что гидроузлы на Енисее, Зее, Бурее, Оби и Вилюе сейчас являются объектами повышенной опасности, снижение которой потребует больших затрат времени и ресурсов и исключить которую возможно, если будут оперативно без проволочек признаны ошибки в расчетах.

3. Что необходимо предпринять в этих условиях?

Итак, крупные гидроузлы на Оби, Енисее, Вилюе, Зее, Бурее не имеют запаса (резерва) пропускной способности на непредвиденные обстоятельства, но имеют дефицит порожних емкостей водохранилищ и регулирование стока в полной зависимости от прогнозов притока воды, достоверность которых крайне низка. Установленная мощность ГЭС остается частично запертой из-за недостаточного развития схем выдачи мощности в энергосистемы и самих энергосистем. Пропускная способность нижних бьефов продолжает снижаться из-за бесконтрольной застройки и создания контррегулирующих гидроузлов.

Несмотря на это, приоритет при эксплуатации водохранилищ отдается, в основном, энергетике. Например, Красноярское и Зейское водохранилища эксплуатируются в режиме многолетнего регулирования. На любой по водности год ставится задача максимальной выработки электроэнергии и мощности ГЭС в ущерб безопасности при пропуске половодий и дождевых паводков.

Методические указания по разработке правил использования водохранилищ (утверждены приказом Минприроды России от 26 января 2011 года № 17) рекомендуют при построении диспетчерского графика весь объем водохранилища делить на зоны, характеризующиеся определенными показателями режима использования водохранилища:

— зона противопаводковой призмы выделяется для водохранилищ, одной из основных функций которых является защита нижнего бьефа гидроузла водохранилища от наводнений. В этой зоне назначаются максимальные допустимые (по условиям незатопления и неподтопления) расходы воды в нижний бьеф;

— зона максимальных сбросов. В этой зоне по условиям безопасности сооружений гидроузла открываются все водосбросные отверстия. В верхней части этой зоны может выделяться подзона, в которой включается и сброс воды через сооружения непосредственно для этого не предназначенные (например — судоходные шлюзы, при их наличии в составе гидроузла). Могут также выделяться подзоны с постепенным наращиванием открытий затворов водосбросов. Верхней границей этой зоны является отметка форсированного подпорного уровня (ФПУ), который не превышается в условиях любой водности, вплоть до расчетной поверочной.

Методические указания по разработке правил использования водных ресурсов (ПИВР) водохранилищ в части пропуска половодий и дождевых паводков не соответствуют Закону “О безопасности гидротехнических сооружений”.

В этих условиях появляются предложения слить воду из водохранилищ, разобрать большие плотины и новые большие плотины не создавать. Высказывается мнение, что площадь и ущерб от затопления земель водохранилищами значительно превышает площадь и ущерб от затоплений пойм рек. При этом не учитывается, что затопления пока незначительны, потому что происходят в годы, не превышающие среднюю водность.

Кроме непомерно больших затрат времени и ресурсов на разборку плотин и рекультивацию земель, такие предложения приведут к большим объемам по созданию инженерных защитных сооружений, к переустройству большей части крупных городов, прибрежных населенных пунктов, предприятий, элементов инфраструктуры, к снижению надежности работы энергосистем, к созданию тепловых электростанций.

Напомню, что в естественных условиях при отсутствии плотин расход притока воды в Енисее с площади водосбора 288200 км² может достигнуть 39000 м³/с. Набережная Дивногорска уходит под воду при расходе 18000 м³/с, в Красноярске при расходе более 10500 м³/с.

Нельзя исключать, что в перспективе земляне будут вынуждены создавать специальные водохранилища для создания запаса пресной воды в засушливые периоды и порожние емкости для регулирования речного стока в многоводные периоды.

Сейчас, наконец, приоритет необходимо отдать повышению безопасности при пропуске половодий и паводков. Упор нужно сделать на создание водохранилищ — регуляторов стока без ГЭС: Сейбинского на Верхнем Енисее, Гилюйского выше Зейского водохранилища, Нижне-Ниманского выше Бурейского, Каменского выше Новосибирского. Заполнять их в многоводные годы и опоражнивать к началу половодий.

При таком подходе потребуется создать почти в два раза меньше плотин. На Шилке целесообразно создать каскад из двух водохранилищ: верхнее водохранилище без ГЭС и нижнее с низконапорной ГЭС.

Это повысит безопасность Саяно-Шушенского, Майнского, Красноярского, Зейского, Бурейского и Новосибирского гидроузлов и их нижних бьефов, позволит перевести в режим годичного регулирования Красноярское и Зейское водохранилища, увеличить выработку электроэнергии и мощности на действующих ГЭС.

В сложившихся условиях наличие двух водохранилищ для одной ГЭС вполне оправдано с любых точек зрения. Это позволит значительно снизить риск затоплений на Амуре и его притоках, на Енисее, Оби и Вилюе.

Вне всякого сомнения, потребуется построить защитные дамбы у крупных городов на Амуре и системы ливневого водоотвода с территорий этих городов, при повышении уровня воды в реке предусматривающие автоматическое перекрытие затворами отверстий выпускных оголовков и перекачку ливневых вод в русло Амура.

Необходимо в кратчайшие сроки привести в соответствие Закону “О безопасности гидротехнических сооружений” все нормативные документы, связанные с расчетами пропуска половодий и дождевых паводков, с эксплуатацией водохранилищ, ГЭС и энергосистем: СП, СНиП, Методические указания по разработке правил использования водных ресурсов (ПИВР) водохранилищ, ПИВР и по разработке Деклараций безопасности.

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!"

См.также:

Подтопления в нижнем бьефе: кто виноват и что нужно делать

О расчетах порожнего объема водохранилища

О режиме работы Зейского водохранилища и Зейской ГЭС