Гидротехнические нормы и правила нуждаются в корректировке

Гидроузлы на Енисее (Саяно-Шушенская ГЭС, Майнская ГЭС и Красноярская ГЭС) испытывают большие трудности при пропуске рядовых половодий и дождевых паводков всякий раз, когда приток воды приближается к обеспеченности 1% (вероятность события 1 раз за 100 лет). Обычно всю вину возлагают на низкую достоверность прогнозов притока воды. Но это справедливо только отчасти. На самом деле причины кроются в нарушении основ идеологии регулирования речного стока, которые привели к полному отсутствию резерва гидрологической безопасности гидроузлов и к полной зависимости регулирования стока от достоверности прогнозов, которая крайне низка.

Причина случившегося банальна: в основополагающих статьях строительных норм и правил (СНиП) отсутствует однозначное толкование, что и позволяет нарушать требования.

1. О необходимости освоения реки с верховий

Строительные нормы и правила (СНиП) всегда обязывали и сейчас обязывают определять расчетный сбросной расход воды, подлежащий пропуску через постоянные водопропускные сооружения гидроузла, учитывая трансформацию (снижение) расхода притока воды во всех водохранилищах, расположенных выше данного створа (СНиП 2.06.01-86, п.2.10; СНиП 33-01-2003, п.5.4.2).

Когда разрабатывались схемы использования водных ресурсов, то определялись наиболее удобные створы и нормальные подпорные уровни (НПУ). Полезный объем между уровнем мертвого объема (УМО) и НПУ, максимальный расчетный сбросной расход воды в нижний бьеф (максимальный расход воды через водосбросы + средний надежно гарантированный расход воды через турбины ГЭС), резервный объем между НПУ и форсированным подпорным уровнем (ФПУ), рассчитывались позже при технико-экономическом обосновании (ТЭО) проектов.

Всегда существовали и существуют сейчас рекомендации по выполнению расчетов последовательно от верхнего водохранилища по максимальным величинам объема и расхода притока воды с площади водосбора каждого водохранилища в отдельности.

К сожалению, в Правилах нет прямого указания, обязывающего создавать гидроузлы согласно утвержденной схеме использования водных ресурсов реки от истока к устью. Решения принимаются на основе технико-экономических расчетов и сравнения вариантов. Принято считать, что для выполнения полного годичного регулирования необходим порожний объем водохранилища, составляющий 40-60 % среднемноголетнего стока воды. Но эта рекомендация, как правило, не выполняется.

2. О сбросном расходе воды в нижний бьеф основного расчетного случая 0,1%

СНиП 2.06.06-85 предписывали:

3.29. Длину водосливного фронта плотины, размеры и число пролетов поверхностных и глубинных водопропускных устройств следует принимать на основании сравнения технико-экономических показателей вариантов в зависимости от величины сбросного расхода основного расчетного случая и изменения уровней воды в нижнем бьефе, вызываемого деформациями русла и берегов.

5.29. Исходя из основного расчетного случая на основании технико-экономических расчетов устанавливаются общая длина водосливного фронта, типы, число и размеры поперечных сечений водопропускных сооружений, значения удельных расходов воды, основные параметры сооружений нижнего бьефа.

5.31. Величины и порядок открытия затворов следует назначать 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.

Поскольку расчет выполнялся по версии расчетного гидрографа, то практически исключалась зависимость заполнения порожнего полезного объема водохранилища от достоверности прогноза притока воды.

К 1985 году стало ясно, что выполнить требования СНиП 2.06.06-85, п.31 уже невозможно, поскольку очередность возведения гидроузлов в каскаде стала нарушаться, а нижние бьефы продолжали застраиваться бесконтрольно.

Именно поэтому в СНиП 2.06.01.86, п.2.11 были внесены следующие существенные изменения: пропуск расчетного расхода воды для основного расчетного случая должен обеспечиваться, как правило, при нормальном подпорном уровне (НПУ) верхнего бьефа через эксплуатационные водосбросные устройства при полном их открытии, все гидротурбины ГЭС и другие водопропускные сооружения при нормальном режиме их эксплуатации.

Для исключения двоякого понимания должны были уточнить п.2.11 так:

Пропуск расчетного расхода притока воды ежегодной вероятностью превышения 0,1% должен обеспечиваться при достижении нормального подпорного уровня (НПУ) без выполнения холостого сброса воды.

Отсутствие четкости при формулировке Правил привело к тому, что при выполнении расчетов порожних полезных объемов стали использовать холостой сброс воды с уровня ниже НПУ. Порожние полезные объемы водохранилищ оказались заниженными на величину объема холостого сброса воды.

Если расчет предусматривает холостой сброс воды с уровней ниже НПУ, то он на практике становится обязательным даже при обеспеченностях притока 10 % и менее, то есть регулирование стока на практике происходит за счет резерва гидрологической безопасности гидроузла и оказывается в полной зависимости от достоверности прогнозов притока воды, которая крайне низка.

3. Об особенностях использования резерва гидрологической безопасности

Холостой сброс воды с пониженного уровня водохранилища обязан оставаться основным резервом гидрологической безопасности, предназначенным на период постоянной эксплуатации гидротехнических сооружений, и использоваться исключительно при возникновении непредвиденных обстоятельств (аварий, отказов в работе оборудования, прогнозе катастрофического притока воды).

Исключительная особенность резерва гидрологической безопасности гидроузла заключается в его постоянной готовности к использованию в любых возможных гидрометеорологических условиях и полном восстановлении после каждого применения.

Максимально достоверный прогноз притока воды понадобится только для своевременного принятия решения по использованию резерва в случае катастрофического притока воды, превышающего расчетную величину.

При эксплуатации водохранилищ, порожние полезные объемы которых оказались заниженными при выполнении расчетов, пошли по тому же пути.

Например, случилась авария на плотине, заставившая снизить допустимый уровень заполнения водохранилища, выполнили перерасчет и назначили новый пониженный уровень начала холостого сброса воды. Случилась авария на водосбросе, заставившая снизить расход воды через водосброс – назначили более раннее начало холостого сброса воды. Не выполнили в полном объеме схему выдачи установленной мощности ГЭС напрямую в энергосистему — назначили еще более раннее начало холостого сброса воды.

Во всех случаях использованный резерв гидрологической безопасности следовало восстанавливать путем увеличения порожнего полезного объема.

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.

4. О статусе порожнего резервного объема водохранилища

Вышеуказанных изменений Правил расчета порожнего полезного объема водохранилищ не последовало, поэтому пошли на изменение статуса порожнего резервного объема в пропуске высоких вод и порядка расчета максимального сбросного расхода воды в нижний бьеф.

По СНиП 2.06.01.86, п.2.12:

“Пропуск расчетного расхода воды для поверочного расчетного случая надлежит обеспечивать при наивысшем технически и экономически обоснованном форсированном подпорном уровне (ФПУ)”,

то есть Правила обязывают обеспечивать пропуск более высокого расчетного расхода воды для поверочного расчетного случая.

Вместо этого, в СНиП 33-01-2003 “Гидротехнические сооружения. Основные положения” п. 5.4.4 внесены, на первый взгляд, малозначительное изменение формулировки и уточнение:

”Пропуск поверочного расчетного расхода воды должен осуществляться при наивысшем технически и экономически обоснованном форсированном подпорном уровне (ФПУ) всеми водопропускными сооружениями гидроузла, включая эксплуатационные водосбросы, турбины ГЭС, водозаборные сооружения оросительных систем и систем водоснабжения, судоходные шлюзы, рыбопропускные сооружения и резервные водосбросы.

При этом, учитывая кратковременность прохождения пика паводка, допускается размыв русла и береговых склонов в нижнем бьефе гидроузла, не угрожающий разрушением основных сооружений, селитебных территорий и территорий предприятий, при условии, что последствия размыва могут быть устранены после пропуска паводка”.

Для исключения двоякого понимания должны были уточнить п.п.2.12 и 5.4.4 так:

пропуск расчетного расхода притока воды поверочного расчетного случая 0,01% + ? надлежит обеспечивать при кратковременном достижении ФПУ и последующем снижении до НПУ сбросным расходом основного расчетного случая 0,1%.

“Срезка высоких половодий водохранилищами производится, как правило, на ветви подъема гидрографа при превышении расходом притока Q_прит допустимого или заданного значения. Когда Q_прит на ветви спада становится равным максимальному сбросному расходу воды, подъем уровня воды в водохранилище (у плотины) прекращается. При дальнейшем понижении притока и сохранении тех же максимальных Q_сбр уровень воды в водохранилище снижается до НПУ”, — разъясняют суть процесса регулирования методические указания по составлению правил использования водных ресурсов водохранилищ гидроузлов электростанций, введенные с 01.01.2000.

В этом разъяснении отсутствует очень важное положение: Если расход притока воды превышает расчетный сбросной расход воды в нижний бьеф основного расчетного случая 0,1%, то разрешается кратковременное заполнение резервного объема водохранилища.

“При дальнейшем понижении притока и сохранении тех же максимальных Q_сбр уровень воды в водохранилище снижается до НПУ”.

Вместо пропуска расчетного расхода воды, определяемого при вероятности превышения 0,1% (основной расчетный случай) оказывается, что теперь необходимо осуществлять пропуск поверочного сбросного расхода воды, определяемого при вероятности превышения 0,01% + ? (поверочный расчетный случай), который почти в два раза выше первого.

Положение СНиП 2.06.06-85, п. 5.31 имело ввиду, что пики расходов притока воды ежегодной вероятностью превышения более 0,1% срезаются при заполнении порожнего полезного объема водохранилища, а резервный объем водохранилища, расположенный выше НПУ, обязан за счет кратковременного заполнения и опорожнения срезать пики расходов притока воды ежегодной вероятностью превышения менее 0,1% без превышения сбросного расхода воды основного расчетного случая.

Если расчеты предусматривают заполнение и опорожнение порожнего резервного объема водохранилища при сбросном расходе воды, превышающем максимальный расчетный сбросной расход воды основного расчетного случая, то порожний резервный объем, естественно, оказывается меньше необходимого на величину повышенного объема холостого сброса воды.

5. Об учете пропускной способности водосбросов

СНиП 33-01-2003, п.5.4.3 обязывает при количестве затворов на водосбросной плотине более шести учитывать вероятную невозможность открытия одного затвора и исключать один пролет из расчета пропуска паводка.

Это требование появилось тогда, когда Правила обязали осуществлять пропуск поверочного сбросного расхода воды при ФПУ, значительно превышающего максимальный расчетный сбросной расход воды в нижний бьеф основного расчетного случая.

При этом Правила не допускали длительной остановки всех турбин ГЭС, поэтому на высоконапорных гидроузлах не предусматривались водосбросы с глубинным водозабором. Это обстоятельство обязывает ввести в обиход новые понятия:

• — активная гидрологическая безопасность, обеспечивающаяся всеми средствами, включая турбины ГЭС;
• — пассивная гидрологическая безопасность, обеспечивающаяся без участия турбин ГЭС;
• — нижний предел гидрологической безопасности, заключающийся в гарантировании санитарного и судоходного попусков;
• — основной резерв гидрологической безопасности, заключающийся в холостом сбросе воды с уровней ниже НПУ;
• — дополнительный резерв гидрологической безопасности, заключающийся в кратковременной одновременной работе всех турбин ГЭС.

6. Об учете пропускной способности гидроагрегатов

СНиП 33-01-2003, п.п.5.4.3, 5.4.4 обязывают учет пропускной способности гидроагрегатов в пропуске паводочных расходов обосновывать 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 не делает различия между средним надежно гарантированным расходом воды через турбины, который учитывается при выполнении расчетов порожнего полезного объема водохранилища, и максимальным расходом воды через все турбины ГЭС, работающие кратковременно, разница между которыми является дополнительным резервом гидрологической безопасности гидроузла и его нижнего бьефа.

По этой причине на многих ГЭС существуют ограничения по выдаче всей установленной мощности напрямую в энергосистему.

Выводы:

В результате нарушения очередности возведения гидроузлов в каскаде, бесконтрольности застройки нижних и верхних бьефов, последующего снижения требований к расчетам пропуска высоких вод:

— порожние полезные и резервные объемы водохранилищ оказались меньше необходимых для трансформации (снижения) расходов притока воды до сбросных расходов, допустимых для нижних бьефов. Исчезло различие между полезным и резервным объемами водохранилищ;

— высоконапорные гидроузлы оказались с поверхностными водосбросами, не способными обеспечивать пассивную гидрологическую безопасность;

— методические указания по составлению Правил использования водных ресурсов водохранилищ гидроузлов электростанций [1], вынуждены были признать, что пропуск через гидроузел половодий и паводков вероятностью превышения менее 1% должен рассматриваться как чрезвычайная ситуация и осуществляться при эвакуации людей из зон временного затопления;

— методические указания по разработке правил использования водных ресурсов водохранилищ [2] стали рекомендовать 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. Верхней границей этой зоны является отметка форсированного подпорного уровня (ФПУ), который не превышается в условиях любой водности, вплоть до расчетной поверочной.

Методические указания противоречат Закону о безопасности гидротехнических сооружений, по которому должна обеспечиваться не только безопасность самих гидротехнических сооружений, но и защита жизни, здоровья и законных интересов людей, окружающей среды и хозяйственных объектов, расположенных в верхнем и нижнем бьефе.

Предложения:

1. Правило освоения водных ресурсов рек от верховий к устью должно стать обязательным для исполнения схем освоения водных ресурсов речных бассейнов.

2. Необходимо вернуться к требованиям СНиП 2.06.06-85, п.п.3.29, 5.30, 5 31 при расчетах порожнего полезного и порожнего резервного объемов водохранилищ.

3. На высоконапорных гидроузлах необходимо предусматривать водосбросы с глубинным водозабором и донные водосбросы на низконапорных гидроузлах;

4. Необходимо создавать условия для выдачи всей установленной мощности ГЭС напрямую в энергосистему.

Литература:

[1] Методические указания по составлению правил использования водных ресурсов водохранилищ гидроузлов электростанций, введенные с 01.01.2000.

[2] Методические указания по разработке правил использования водохранилищ (утв. приказом Минприроды России от 26 января 2011 г. № 17).

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!"