Реки - источник жизни, а не электричества
Фото нашей Ангары... Нажми

Оценка максимальных расходов расчетной вероятности превышения в створе Богучанской ГЭС

В настоящей работе А.М. Мартыновой, С.Ю. Филипповой и Д.В. Мартынова приведен анализ национальных норм и правил гидрологического обоснования проектирования гидроэлектростанций и в соответствии с ними выполнен расчет максимальных расходов расчетных обеспеченностей в створе Богучанской ГЭС.

Основания для корректировки расчетов максимального стока в створах гидроузлов Ангаро-Енисейского каскада ГЭС

Основные параметры гидроузлов (пропускная способность гидротехнических сооружений (ГТС), нормальные и форсированные уровни наполнения и предполоводной сработки водохранилищ) обосновываются на основе гидрологических расчетов безопасных пропусков максимального стока половодий и паводков нормативных ежегодных вероятностей превышений (обеспеченности). Занижение расчетных величин максимального стока (максимальных расходов и объемов) может привести к разрушению плотин, затоплению нижнего бьефа, материальным убыткам и человеческим жертвам. Завышение величин стока приведет к существенному неоправданному удорожанию строительства ГТС. Поэтому гидрологические расчеты максимального стока представляет собой очень важный и ответственный раздел проектирования гидроэлектростанций.

В настоящее время актуальной задачей является корректировка расчетов максимального стока в створах проектируемых и функционирующих гидроузлов Ангаро-Енисейского каскада (АЕК) в связи с тем, что:

1) ГТС Ангаро-Енисейского каскада относятся к 1 классу гидротехнических сооружений и соответственно являются особо опасными и технически сложными объектами по Градостроительному Кодексу РФ;

2) изменились и ужесточились международные и национальные нормативно-правовые требования к обеспечению безопасности ГТС и пропуску максимального стока;

3) Проекты гидроэлектростанций Ангаро-Енисейского каскада (АЕК), в том числе Богучанской ГЭС, разрабатывались в 50-70-е годы прошлого столетия, и основные параметры их гидроузлов устанавливались на основе расчетов с использованием коротких рядов гидрологических наблюдений, которые не могли учитывать будущие изменения гидрологического режима;

4) появились достаточно длинные (более 30 лет) ряды гидрологических наблюдений на реках Ангаре и Енисее в зарегулированных каскадных условиях и на их притоках;

5) повсеместно увеличились повторяемость и масштабы экстремальных погодных и гидрологических явлений (наводнений и засух);

6) увеличились интенсивность снеготаяния и стекания поверхностного стока в результате трансформации водосборных поверхностей из-за лесных пожаров, вырубки лесов и хозяйственной деятельности.

Национальные нормы и правила гидрологического обоснования параметров гидроузлов и безопасного пропуска максимального стока через ГТС

В нашей стране в 2003 г. введены новые строительные нормы и правила, по которым обосновываются основные параметры гидроузлов и режимы их безопасной эксплуатации - СНиП 33-01-2003 «Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования» /1/ и дополняющий его свод правил СП 33-101-2003 «Определение основных расчетных гидрологических характеристик» /2/.

Они включены в «Перечень национальных стандартов и сводов правил» утверждённый распоряжением Правительства РФ от 21.06.2010 г. N 1047-р, применение которых обеспечивает соблюдение требований Федерального закона от 30.12.2009 г. № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений».

Технические регламенты, определяющие безопасность зданий и сооружений, в том числе гидрологическую безопасность ГТС, с введением ФЗ № 384 от 30.12.2009 г. приобрели статус законодательно обязательных и прямого действия.

Современное гидрологическое обоснование проектов гидроэлектростанций осуществляется в следующей последовательности:

1. Определяется класс ГТС в зависимости от их высоты, типа грунтов основания, социально-экономической ответственности и последствий возможных гидродинамических аварий (по приложению Б СНиП 33-01-2003) и соответствующие классу ГТС проценты ежегодных вероятностей превышений (обеспеченностей) расчетных максимальных расходов воды для двух случаев: основного и поверочного (по табл.2 СНиП 33-01-2003).

2. В зависимости от гидрологической изученности определяются основные опорные гидрологические посты, схема и методы расчета максимального стока.

3. Определяется лимитирующий (наиболее неблагоприятный) внутригодовой период генетически однородный по условиям формирования максимального стока на основе анализа условий формирования максимального стока в бассейне реки.

4. Определяется многолетний период, однородный по условиям формирования максимального стока.

5. При недостаточной длительности ряды гидрологических наблюдений приводятся к многолетнему периоду.

6. Выполняются расчеты максимальных расходов нормативных обеспеченностей в соответствии со сводом правил СП 33-101-2003.

7. Строятся расчетные гидрографы стока по моделям наблюденных гидрографов с наиболее неблагоприятной их формой и определяются расчетные объемы максимального стока и их основных волн в соответствии со сводом правил СП 33-101-2003.

8. Выполняются расчеты пропуска расчетного максимального стока через ГТС с целью определения максимальных расходов воды, сбрасываемых в нижний бьеф и объемов аккумуляции в водохранилище (наполнения и предполоводной сработки водохранилища) при соблюдении условий пунктов 5.4.2-5.4.5. СНиП 33-01-2003.

9. Выполняются расчеты по определению пропускной способности русла реки в нижнем бьефе плотины в период прохождения половодья в условиях неустановившегося гидрологического режима, формируемого под влиянием пикового регулирования ГЭС.

10. Выполняются расчеты зоны выклинивания подпора в верхнем бьефе плотины.

11. Выполняются расчеты по выбору основных параметров гидротехнических сооружений и водохранилищ и правил безопасного пропуска максимального стока через ГТС с учетом:

- соблюдения национальных нормативных требований;

- вероятной невозможности открытия затворов водосбросов (заклинивание затворов, отказ подъемных устройств), засорения пропускных отверстий льдом, торфяной крошкой и древесиной;

- количества работающих гидроагрегатов и условий их работы в энергосистеме, вероятности аварийных ситуаций на ГЭС и вывода всех гидроагрегатов из строя;

- существующих природных ограничений (пониженной пропускной способности нижних бьефов в период весеннего вскрытия реки и формирования заторов в нижнем бьефе и повышенных уровней в зоне выклинивания подпора в верхнем бьефе);

- увязки с существующими ГЭС каскада;

- требований водопользователей в бьефах плотин (не затопления и не подтопления населенных пунктов, обеспечения безопасного питьевого водоснабжения, сохранения биоресурсов, судоходства и т.д.).

12. Разрабатывается система гидрологического мониторинга в бьефах гидроузла и всего каскада ГЭС на основе инновационных технологий.

13. Разрабатывается информационно-аналитическая система управления гидрологическими процессами каскада ГЭС.

На основе комплекса выше перечисленного гидрологического обоснования разрабатывается вся последующая проектная документация гидроэлектростанции:

- диспетчерские графики управления режимами ГЭС,

- декларация безопасности ГТС,

- правила использования водных ресурсов отдельных водохранилищ (ПИВР) и всего каскада,

- правила технической эксплуатации и благоустройства водохранилища (ПТЭБ),

- оценка воздействий на окружающую среду (ОВОС),

- мероприятия инженерной защиты бьефов плотины от негативных воздействий.

Расчеты максимальных расходов расчетной вероятности превышения р.Ангары в створе Богучанской ГЭС

1) Определение % расчетных обеспеченностей.

ГТС Богучанского гидроузла относится к 1-му класса ГТС (по приложению Б СНиП 33-01-2003) и расчетными вероятностями превышений (обеспеченностями) максимальных расходов воды являются: для основного случая - 0,1% (повторяемостью 1 раз в 1000 лет) и для поверочного случая - 0,01% с учетом гарантийной поправки (повторяемостью 1 раз в 10000 лет).

2) Гидрологическая изученность.

Рис. 1. Схема водосборного бассейна р.Ангары на участке от Усть-Илимской ГЭС до с.Богучаны

Рис. 1. Схема водосборного бассейна р.Ангары на участке от Усть-Илимской ГЭС до с.Богучаны

Схема расположения постов гидрологических наблюдений на р. Ангаре и ее притоках на участке от Усть-Илимской ГЭС до с. Богучаны приведена на рис. 1 и 2, а сведения о постах приведены в табл.1. Данные гидрологических наблюдений по этим постам предоставлены ЗАО «Богучанская ГЭС».

Рис. 2. Схема расположения гидрологических постов на р.Ангаре и ее притоках, используемых для расчетов стока

Рис. 2. Схема расположения гидрологических постов на р.Ангаре и ее притоках, используемых для расчетов стока

Таблица 1. Посты с наблюдениями за стоком р.Ангары и ее притоков на участке У-ИГЭС- с.Богучаны

3) Определение лимитирующего внутригодового периода формирования максимального стока и его особенностей

Особенностью р.Ангары и ее притоков является асинхронность прохождения максимального стока по длине реки (рис. 3).

Максимальный сток притоков Иркутского (с оз.Байкал) и Братского водохранилищ наблюдается в июле-августе в период дождевых паводков. Максимальный сток притоков ниже Братской ГЭС наблюдается в период весеннего половодья (рис. 3).

Рис. 3. Гидрографы стока: 1 – р.Ангара-Братская ГЭС(с.Падун, 1952 г.), 2 - р.Илим-д.Сотникова (1973 г.), 3 – р.Кова-с.Прокопьево (1966 г.)

Рис. 3. Гидрографы стока: 1 – р.Ангара-Братская ГЭС(с.Падун, 1952 г.), 2 - р.Илим-д.Сотникова (1973 г.), 3 – р.Кова-с.Прокопьево (1966 г.)

Соответственно асинхронно происходит наполнение водохранилищ: Иркутское с оз.Байкал и Братское наполняются в июле-августе, Усть-Илимское – весной.

Для Богучанского гидроузла лимитирующим периодом для расчетов максимального стока является весеннее половодье.

На участке будущего Богучанского водохранилища в Ангару впадают 4 средние реки (Кова, Тушама, Ката, Кода) и 60 малых рек и ручьев. Водосборы этих притоков расположены в одной высотной зоне – на низкогорном Среднесибирском таежном плоскогорье. Поэтому весеннее половодье характеризуется тем, что проходит одновременно на всех притоках, дружно с резкими и высокими, но относительно непродолжительными подъемами воды. За половодье проходит до 80 % годового стока. Ангара на этом участке характеризуется наличием подруслового стока, благодаря наличию в ложе реки мощных аллювиальных отложений и карстовых пород.

4) Определение многолетнего однородного периода формирования максимального стока.

С помощью хронологического графика ежегодных максимальных расходов воды (рис. 4) в створах р.Ангары у с. Богучаны и Усть-Илимской ГЭС установлены два генетически однородных периода формирования стока: до и после наполнения Усть-Илимского водохранилища. С 1975 г. начинается однородный ряд гидрологических наблюдений в зарегулированных условиях с трансформацией (срезкой) половодий Усть-Илимским водохранилищем.

Рис. 4. Максимальные срочные расходы воды весеннего половодья р.Ангары в годы наблюдений на водпостах: 1 – с.Богучаны; 2 – Усть-Илимская ГЭС.

Рис. 4. Максимальные срочные расходы воды весеннего половодья р.Ангары в годы наблюдений на водпостах: 1 – с.Богучаны; 2 – Усть-Илимская ГЭС.

5) Проверка надежности ряда гидрологических наблюдений в створе БоГЭС и приводка его к многолетнему периоду.

Наиболее точный расчет максимального стока р.Ангары в створе Богучанской ГЭС можно выполнить при наличии надежных и длительных гидрологических наблюдений вблизи створа плотины.

Первичный анализ данных гидрологических наблюдений на р.Ангаре в нижнем бьефе БоГЭС на ведомственном посту р.Ангара- с.Сыромолотово, имеющихся за период с 1979 г. по 1997 г. выявил погрешности: в 4 годах из 19 лет максимальные расходы на посту у с. Сыромолотово значительно больше расходов на посту у с.Богучаны, расположенного в 126 км ниже по течению.

Объяснить это можно как техническими причинами: ошибками в измерениях или в различии средств наблюдений на этих постах (наличии или отсутствии самописцев уровней воды), так и тем, что прохождение половодий на реке Ангаре сопровождается формированием мощных заторов на разных участках реки.

В связи с этим, был проведен анализ на достоверность и увязка по длине реки гидрографов стока половодий за весь период с 1975 г. по 2006 г.

Для приведения имеющегося ряда гидрологических наблюдений в створе плотины к многолетнему построен график связи между расходами воды р.Ангары на постах у с.Сыромолотово и у с.Богучаны за годы совместных наблюдений (рис.5).

Рис. 5. Связь между расходами воды р.Ангары в створах у с.Сыромолотово (БоГЭС) и с.Богучаны в годы совместных наблюдений. 1,2,3 – линии поверочных формул приводки.

Рис. 5. Связь между расходами воды р.Ангары в створах у с.Сыромолотово (БоГЭС) и с.Богучаны в годы совместных наблюдений. 1,2,3 – линии поверочных формул приводки.

Кроме регрессионной были проверены несколько формул приводки путем сравнения наблюденных гидрографов в створе плотины у с. Сыромолотово с расчетными. Пример сравнения наблюденных и рассчитанных гидрографов за 1982 г. и 1983 г. приведен на рис.6.

Рис 6. Гидрографы стока весеннего половодья р.Ангары, наблюденные в створах Усть-Илимская ГЭС (1), Богучанской ГЭС (с.Сыромолотово) (2), с. Богучаны (3) и рассчитанные для боковой приточности на участке от БоГЭС до с.Богучаны (4), для створа Богучанской ГЭС по формулам приводок (5, 6, 7).

Рис 6. Гидрографы стока весеннего половодья р.Ангары, наблюденные в створах Усть-Илимская ГЭС (1), Богучанской ГЭС (с.Сыромолотово) (2), с. Богучаны (3) и рассчитанные для боковой приточности на участке от БоГЭС до с.Богучаны (4), для створа Богучанской ГЭС по формулам приводок (5, 6, 7).

Рис 6. Гидрографы стока весеннего половодья р.Ангары, наблюденные в створах Усть-Илимская ГЭС (1), Богучанской ГЭС (с.Сыромолотово) (2), с. Богучаны (3) и рассчитанные для боковой приточности на участке от БоГЭС до с.Богучаны (4), для створа Богучанской ГЭС по формулам приводок (5, 6, 7).

За период 1975-2006 гг. максимальное половодье наблюдалось в 1999 г. Для проверки гидрографа стока за этот год на «заторность» был построен график хода уровней воды по всем постам на нижней Ангаре и среднем Енисее (рис. 7).

Рис. 7. Ход уровней воды на водпостах, характеризующих формирование и прохождение весеннего половодья 1999 года по рекам Ангара и Енисей

Рис. 7. Ход уровней воды на водпостах, характеризующих формирование и прохождение весеннего половодья 1999 года по рекам Ангара и Енисей

Гидрограф 1999 г. принят для расчета максимального стока. «Заторность» гидрографа у с.Богучаны не подтвердилась. В тот год наблюдался резкий подъем температуры воздуха «из зимы в лето», что привело к одновременному вскрытию реки на большом участке. Тогда на нижней Ангаре и среднем Енисее были затоплены многие населенные пункты, а село Ворогово на Енисее огромными льдинами было снесено практически полностью

6) Расчеты максимальных расходов нормативных обеспеченностей

По данным наблюдений на опорном посту р. Ангара-с.Богучаны построены кривые обеспеченностей максимальных расходов весеннего половодья для двух периодов до и после 1975 г. - в естественных и трансформированных Усть-Илимским водохранилищем условиях прохождения весеннего половодья. Максимальные расходы весеннего половодья различной вероятности превышений и параметры кривых распределения приведены в табл.2.

Таблица 2. Наблюденные и расчетные максимальные расходы воды (Q, м3/с) половодья р.Ангары на участке от Усть-Илимской ГЭС до с. Богучаны

Полученные расчетные величины максимального стока р.Ангары у с.Богучаны хорошо согласуются с данными аналогичных расчетов, приведенных в проекте ОВОС БоГЭС (табл.3) в техническом проекте БоГЭС 1976 г. (табл.4).

Таблица 3. Расчетные характеристики максимального стока  половодья р. Ангары – с. Богучаны (из проекта ОВОС БоГЭС)

Таблица 4. Расчетные характеристики максимального стока  весеннего половодья р. Ангары – с. Богучаны (из проекта БоГЭС 1976 г.)

7) Расчетный максимальный расход стока половодья вероятностью превышения 0,1% (повторяемостью 1 случай из 1000лет) в створе плотины БоГЭС определен равным 25580 м3/с. (табл.2).

В проекте Богучанской ГЭС по данным статьи главного инженера проекта Богучанской ГЭС Волынщикова А.Н. /3/ расчетный максимальный расход стока половодья вероятностью превышения 0,01% (повторяемостью 1 случай из 10 000 лет) в створе плотины БоГЭС определен в размере 16210 м3/с.

Однако, результаты наших расчетов, выполненные в соответствии с требованиями СНиП 33-01-2003 и СП 33-101-2003 позволяют усомниться в их правильности и сделать вывод о том, что в проекте БоГЭС расчетные величины максимальных расходов стока половодья являются значительно заниженными.

Выводы. Необходимо привести проект Богучанской ГЭС на Ангаре в соответствие с национальными требованиями СНиП 33-01-2003 и СП 33-101-2003, обеспечивающих гидрологическую безопасность пропуска половодий расчетных вероятностей превышения и соблюдение Федерального закона от 30.12.2009 г. № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений».

ЛИТЕРАТУРА

1. СНиП 33-01-2003 «Гидротехнические сооружения. Основные положения». М.: Госстрой России, 2004. – 24с.

2. СП 33-101-2003 «Определение основных гидрологических характеристик») М.: Госстрой России, 2004. – 73 с.

3. Волынщиков А.Н. Богучанская ГЭС – пусковой объект российской гидроэнергетики. //Гидротехническое строительство. 2010, №9. с.30-37.

Мартынова А.М, Филиппова С.Ю., Мартынов Д.В.
ООО «Гидроэкоинжиниринг»
29.01.2012