О расчетах порожнего объема водохранилища

Сейчас расчетный максимальный сбросной расход воды в нижний бьеф Зейской ГЭС равен 10800 м³/с (11104 до перерасчета), в нижний бьеф Саяно-Шушенской ГЭС – 13300 м³/с. И сбросные расходы воды, сниженные путем ошибочных расчетов, превышают безопасную пропускную способность нижних бьефов этих гидроузлов.

Гидрологические расчеты объемов и расходов стока воды с площадей водосборов были выполнены с вполне достаточной точностью и не должны вызывать нареканий. Они позволили получить максимальные сбросные расходы через сооружения при ежегодной (подчеркиваю слово ежегодной) вероятности превышения расчетных максимальных расходов воды 0,1% (вероятность события 1 раз за 1000 лет).

В 1967 году был издан справочник "Гидроэлектростанции Советского Союза", в котором практически по всем построенным и перспективным гидроузлам были указаны расчетные максимальные сбросные расходы через сооружения при ежегодной (снова подчеркиваю слово ежегодной) вероятности превышения расчетных максимальных расходов воды 0,1% (вероятность события 1 раз за 1000 лет).

Например, по Зейскому гидроузлу максимальный сбросной расход воды через сооружения при ежегодной вероятности превышения расчетного максимального расхода притока воды 0,1% (вероятность события 1 раз за 1000 лет) составлял 21800 м³/с, по Саяно-Шушенскому – 19100 м³/с. Эти примеры приведены специально по тем гидроузлам, которые сейчас противостоят стоку воды с девственных площадей водосбора.

Затем нормы проектирования изменились в сторону ужесточения. Гидроузлы обязали проектировать на ежегодную вероятность превышения расчетных максимальных расходов воды 0,01% + ? (вероятность события 1 раз за 10000 лет с гарантийной поправкой до 20%).

А нормативы по обустройству нижних бьефов, наоборот, занизили до максимального сбросного расхода воды обеспеченностью 1%. В итоге стало невозможным выполнение Закона о безопасности гидротехнических сооружений.

Сейчас расчетный максимальный сбросной расход воды в нижний бьеф Зейского гидроузла равен 10800 м³/с (11104 до перерасчета), в нижний бьеф Саяно-Шушенского гидроузла – 13300 м³/с. И сбросные расходы воды, сниженные путем ошибочных расчетов, превышают безопасную пропускную способность нижних бьефов.

Главными причинами сложившегося тяжелейшего положения следует считать нарушение очередности возведения гидроузлов и, как следствие, ошибки в расчетах порожних объемов водохранилищ. Об этих ошибках и пойдет речь ниже.

1. Об особенностях расчета порожнего объема водохранилища

Принципиальное различие расчетов порожнего полезного объема и порожнего резервного объема водохранилища заключается в следующем:

• — при годичном регулировании стока порожний полезный объем в течение года обязан принять два объема притока воды: один в половодье вероятностью превышения 0,1%, а другой в течение пропуска дождевых паводков и в межень;
• — порожний полезный объем в течение года заполняется и опоражнивается за счет разницы расхода притока и среднего надежно гарантированного расхода воды через турбины без выполнения холостого сброса воды;
• — порожний резервный объем обязан принять (задержать на короткое время) всю разницу объема притока в дождевой паводок вероятностью 0,01% + ? и 0,1%: половину объема при заполнении и вторую половину при опорожнении;
• — порожний резервный объем в течение года может заполняться и опоражниваться полностью или частично два-три раза в течение дождевых паводков в июле, августе и сентябре за счет разницы притока и сбросного расхода воды в нижний бьеф основного расчетного случая, то есть с выполнением холостого сброса воды.

Расчеты обязывают опорожнять полезный объем водохранилища годичного регулирования до уровня мертвого объема (УМО) перед началом каждого половодья. Называется такой прием обязательной предполоводной сработкой водохранилища.

Если расчет порожнего полезного объема водохранилища предусматривает холостой сброс воды с уровней ниже НПУ, то порожний объем окажется меньше необходимого на величину объема холостого сброса воды.

Регулирование стока оказывается в полной зависимости от прогноза притока воды, а гидроузел лишается резерва на непредвиденные обстоятельства: приток воды выше принятого в расчетах, остановка всех турбин на длительное время, авария в схеме выдачи мощности ГЭС и т.д.

Если расчет порожнего резервного объема водохранилища предусматривает сбросной расход воды в нижний бьеф с уровней ниже ФПУ, превышающий сбросной расход основного расчетного случая, то порожний резервный объем окажется меньше необходимого на величину объема повышенного сброса воды.

Последствия такого расчета для самого гидроузла и нижнего бьефа предсказать сложно, потому что плотина, водосброс и нижний бьеф окажутся перегруженными.

2. О расчете порожнего полезного объема водохранилища

Смысл расчетов порожнего полезного объема водохранилища заключается в том, чтобы он беспрепятственно заполнялся без выполнения холостого сброса воды в половодье ежегодной вероятностью превышения расхода притока воды 0,1% (основной расчетный случай). Именно поэтому он назван полезным.

По расчету холостой сброс воды должен начинаться после заполнения водохранилища до НПУ. В половодье ежегодной вероятностью превышения расхода притока воды 0,1% при среднем надежно гарантированном расходе воды через турбины Q_и, объеме воды через турбины W_и и объеме стока воды W порожний полезный объем водохранилища следует определять по уравнению:

V_п = W — W_и (1).

Недостаток порожнего полезного объема водохранилища можно компенсировать только путем создания недостающего объема в верховье на площади водосбора или на площади водосбора бокового притока воды в водохранилище.

3. О расчете порожнего резервного объема водохранилища

После заполнения водохранилища до НПУ, если расход притока воды превышает расчетный максимальный расход воды в нижний бьеф основного расчетного случая 0,1%, то начинается кратковременное заполнение резервного объема водохранилища.

Расчет пропуска половодья ежегодной вероятностью превышения 0,1% — 0,01% +? (поверочный расчетный случай) предусматривает поддержание расчетного максимального сбросного расхода воды, допустимого для нижнего бьефа за счет заполнения порожнего резервного объема водохранилища и последующего его опорожнения. После заполнения порожнего резервного объема до ФПУ в том же режиме сбросного расхода воды в нижний бьеф должно происходить его опорожнение до стабилизации НПУ.

Иначе говоря, порожний резервный объем водохранилища в расчетах пропуска высоких вод используется дважды и определяется как половина разницы объема холостого сброса при ежегодной вероятности превышения расхода притока воды 0,01% + ? и при 0,1%, то есть:

V_рез = (V_x1 — V_x2 ) : 2 (2)

где V_x1 – объем холостого сброса воды ежегодной вероятности превышения расхода притока воды 0,01% + ?, V_x2 — объем холостого сброса воды ежегодной вероятности превышения расхода притока воды 0,1%.

Максимальная длительность использования порожнего резервного объема водохранилища определяется путем деления удвоенного резервного объема на величину максимального расчетного сбросного расхода воды в нижний бьеф Q_сбр основного расчетного случая:

T_рез = 2 V_рез : Q_сбр (3)

Порожний резервный объем на практике может кратковременно использоваться несколько раз для пропуска неожиданного дождевого паводка при заполненном до НПУ водохранилище. Снижение порожнего резервного объема водохранилища можно компенсировать только путем снижения объема и расхода притока воды.

Компенсация порожнего резервного объема водохранилища за счет уменьшения порожнего полезного объема недопустима.

Компенсация за счет полезного объема водохранилища потребует его снижения в двойном размере утраченного для заполнения резервного объема, но не исключит физического присутствия запрещенного для заполнения порожнего резервного объема.

Опасность для плотины в случае заполнения этого объема не только остается, но и повышается, поскольку снижение порожнего полезного объема возможно только путем внешнего воздействия на систему, то есть только путем снижения объема и расхода притока воды в водохранилище.

4. О холостом сбросе воды при заполнении полезного объема водохранилища

Из-за дефицита порожней емкости водохранилища, связанного с использованием холостого сброса воды при выполнении расчетов порожней полезной и порожней резервной емкостей, вынуждены теперь уже на практике вторично выполнять холостой сброс воды с уровней ниже НПУ.

Такой прием ошибочно называют предполоводной сработкой водохранилища. По этой причине регулирование стока воды на практике попадает в зависимость от прогноза притока воды, достоверность которого в половодье не превышает 70%, а в дождевые паводки и того ниже.

Нет никакого смысла закладывать в расчеты пропуска половодья холостой сброс воды при заполнении порожнего полезного объема и искусственно сдерживать заполнение полезного объема водохранилища, когда расчеты ведутся по версии расчетного гидрографа, то есть по максимуму возможного притока воды.

Правила, к сожалению, не обязывают различать предполоводную сработку полезного объема водохранилища, которая учитывается в расчетах пропуска высоких вод и на практике выполняется без холостого сброса воды, и холостой сброс воды с пониженного уровня водохранилища, который является основным резервом гидрологической безопасности и часто ошибочно используется при выполнении расчетов пропуска высоких вод для компенсации недостатка порожнего полезного водохранилища.

5. О необходимости расчета резервного объема водохранилища

Для расчета плотин при заполнении водохранилищ до ФПУ существуют подробно разработанные нормативы. Но порожние объемы между НПУ и ФПУ не определены и отсутствуют какие-либо указатели и водоохранные полосы по берегам водохранилищ.

Нынешнее развитие технологий по сканированию земной поверхности позволяет в короткое время выполнить цифровую топографическую карту, цифровую модель рельефа, представляющую собой трехмерную модель земной поверхности, которая может быть представлена в виде высотных точек, поверхностей, горизонталей или иных изолиний, и выполнить расчеты порожних резервных объемов водохранилищ для определения их возможности по трансформации дождевых паводков.

6. О необходимости выдачи всей установленной мощности ГЭС

Прежние Правила обязывали пропуск расчетных расходов воды обеспечивать при одновременной работе всех турбин ГЭС.

В СНиП 33-01-2003, п.5.4.3 изменены требования к учету пропускной способности гидроагрегатов в расчетах пропуска высоких вод. Теперь величина расхода воды через турбины должна быть обоснована при проектировании каждого конкретного гидроузла в зависимости от количества агрегатов гидроэлектростанции, условий ее работы в энергосистеме, вероятности аварийных ситуаций на ГЭС, а также фактического напора на ГЭС.

Это Правило изменено, потому что работа турбин ошибочно представляется необходимой для срезки пика половодья, а на самом деле кратковременная работа всех турбин является дополнительным резервом гидрологической безопасности гидроузла и его нижнего бьефа.

Необходимо различать работу турбин с надежно гарантированным средним расходом воды в период заполнения полезного объема водохранилища, который включается в расчет пропуска высоких вод, и необходимость одновременной работы всех или большей части турбин, которая является дополнительным резервом при возникновении непредвиденных обстоятельств.

Схема выдачи мощности ГЭС обязана позволять выдачу всей установленной мощности ГЭС в энергосистему по международному критерию n-1.

7. О подпоре нижнего бьефа плотиной и дополнительным водосбросом

Пропускная способность нижних бьефов снижается не только из-за бесконтрольной застройки берегов и из-за переформирования русла и отсутствия дноуглубительных работ, но и в результате создания искусственного подпора нижнего бьефа плотиной и в результате дополнительного бокового холостого сброса в созданное плотиной водохранилище, например, по туннельным водосбросам.

Обязаны выполняться все требования Правил к водохранилищу, тем более, если нижний бьеф представлен водохранилищем суточного регулирования, уровни которого резко повышаются при увеличении сбросного расхода в нижний бьеф вышерасположенного гидроузла.

СНиП 2.06.01-86 п.11.1. гласит:

При проектировании водохранилищ должны быть решены вопросы переселения населения, инженерной защиты или переноса (сноса) населенных пунктов, промышленных объектов, отдельных сооружений или строений.

СНиП 33-01-2003 п.4.4.9 гласит:

При проектировании гидротехнических сооружений необходимо учитывать изменения природных условий, которые могут привести к подтоплению и затоплению территорий, оценку которых необходимо выполнять, руководствуясь положением СНиП 2.06.15.

CНиП 2.06.15 п. 1.4. гласит:

Отрицательное влияние затопления существующими или проектируемыми водохранилищами надлежит оценивать в зависимости от режимов сработки водохранилища и продолжительности действия затопления на прибрежную территорию.

8. О необходимости водосброса с глубинным водозабором

При наличии на гидроузле водосброса поверхностного типа и остановке всех турбин ГЭС нельзя обеспечить попуски в нижний бьеф при уровнях воды в водохранилище в диапазоне: от уровня мертвого объема до уровня, достаточного для обеспечения размера попуска, то есть уровня, расположенного выше порогов водосброса.

Это обстоятельство обязывает проектировать дополнительный водосброс с глубинным водозабором или поднимать уровень мертвого объема водохранилища несколько выше порогов поверхностного водосброса путем продолжения гидротехнического строительства в верховье и на боковом притоке.

Выводы и предложения

1. Гидрологическая основа для расчетов пропуска высоких вод в нынешнем ее виде вполне достаточна для выполнения Закона о безопасности гидротехнических сооружений.

2. Первоначальная идеология расчетов нарушена. Расчеты порожнего полезного объема водохранилища стали предусматривать холостой сброс воды с уровней ниже НПУ. Порожние полезные объемы водохранилищ оказались меньше необходимых на величину объема холостого сброса воды.

Расчеты порожнего резервного объема водохранилища стали предусматривать сбросной расход воды в нижний бьеф с уровней ниже ФПУ, превышающий сбросной расход основного расчетного случая. Порожние резервные объемы оказались меньше необходимых на величину объема повышенного сброса воды. Статус порожнего резервного объема изменили и он стал простой добавкой к полезному объему.

3. Главными критериальными значениями диагностических показателей К1 и К2 теперь должны стать минимально необходимые свободные (порожние) объемы водохранилищ на начало и конец пропуска половодья и июльского дождевого паводка, а также на начало пропуска августовского дождевого паводка, гарантирующие пропуск высоких вод без превышения сбросного расхода воды в нижний бьеф, определяемого при основном расчетном случае.

Заключение

Ошибки в определении первых створов и в расчетах порожнего полезного и порожнего резервного объемов водохранилищ создали видимость благополучия, более того, были закреплены в последующих нормативных документах. Регулирование стока воды оказалось в полной зависимости от прогнозов, достоверность которых низка. Отсутствуют резервы на непредвиденные обстоятельства. Заниженные требования к обустройству нижних бьефов оказались не выполнимы.

Необходимо создавать в верховьях и на боковом притоке порожние объемы для исключения холостого сброса воды при заполнении полезных объемов водохранилища и резервные объемы для исключения повышенных сбросных расходов воды в нижние бьефы.

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!"