ГЭС на Енисее: пока не грянул гром

Сейчас к началу половодья Красноярское водохранилище срабатывается до уровня 230,0 м или даже выше. Это означает, что около 10 км³ порожнего объема водохранилища не будет участвовать в регулировании стока. Такое регулирование может привести к повышенному сбросному расходу воды в нижний бьеф Красноярской ГЭС в случае многоводного дождевого паводка или возникновения непредвиденного обстоятельства на любом из гидроузлов каскада.

В недавней статье «Наводнения: Красноярская ГЭС защищает в пределах возможного» совершенно справедливо отмечается, что

«максимальных расходов воды на Красноярской ГЭС мы ещё не видели, но рано или поздно неизбежно увидим. Сгладить все последствия чужой безответственности и жадности, обеспечить городу абсолютную безопасность ГЭС не может».

Бесконтрольность застройки нижнего бьефа Красноярской ГЭС, безусловно, одна из главных причин будущих затоплений с непредсказуемыми последствиями. Но существует вторая более важная причина для беспокойства, имеющая комплексный характер своего происхождения, о которой пойдет речь ниже.

Действительно, в соответствии с действующим СП 42.13330.2011 «Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений», п.13.6 территории поселений, расположенных на прибрежных участках, должны быть защищены от затопления паводковыми водами, ветровым нагоном воды; от подтопления грунтовыми водами — подсыпкой (намывом) или обвалованием.

Отметку бровки подсыпанной территории следует принимать не менее чем на 0,5 м выше расчетного горизонта высоких вод с учетом высоты волны при ветровом нагоне. Превышение гребня дамбы обвалования над расчетным уровнем следует устанавливать в зависимости от класса сооружений согласно СНиП 2.06.15 и СП 58.13330.

За расчетный горизонт высоких вод следует принимать отметку наивысшего уровня воды повторяемостью:

• один раз в 100 лет — для территорий, застроенных или подлежащих застройке жилыми и общественными зданиями;
• один раз в 10 лет — для территорий парков и плоскостных спортивных сооружений.

Иначе говоря, по действующим нормативам город Красноярск может быть защищён от затопления при притоке обеспеченностью 1 % (повторяемость события 1 раз за 100 лет) обвалованием с отметкой на 0,5 м выше расчетного горизонта высоких вод.

Последняя редакция правил использования водных ресурсов (ПИВР) Красноярского водохранилища, разработанная в 2014 году, при пропуске расхода притока обеспеченностью 1% устанавливают сбросной расход воды в нижний бьеф Красноярской ГЭС в размере 12150 м³/с, что уже неприемлемо с точки зрения безопасности нижнего бьефа, так как затопления начинаются при расходе более 10000 м³/с.

Но нельзя забывать о том, что по расчетам при пропуске притока ежегодной вероятностью превышения расхода 0,01% + ? (вероятность события 1 раз за 10000 лет с гарантийной поправкой до 20%) собственная безопасность Красноярского гидроузла обеспечивается при максимальном сбросном расходе воды в нижний бьеф 20600 м³/с.

Максимальный сбросной расход воды в нижний бьеф Красноярского гидроузла достигается только при условии опорожнения водохранилища к началу половодья до уровня мертвого объема (УМО) 225,0 м, одновременной работы всех турбин Красноярской ГЭС с расходом 7200 м³/с и максимальной пропускной способности поверхностного водосброса при уровне 243,5 м, составляющей 13400 м³/с.

По расчетам до возведения гидроузлов Енисей был способен у Красноярска изменять расход притока воды в 80 раз (от 490 м³/с зимой и до 39000 м³/с летом), а в створе Саяно-Шушенского гидроузла в 100 раз (от 250 м³/с до 25000 м³/с).

Это обстоятельство обязывало строго соблюдать очередность возведения гидроузлов исключительно ради повышения равномерности притока воды в водохранилища каскада в самый напряженный период года в мае-сентябре.

В этих целях была разработана и утверждена схема освоения реки Енисей и ее притоков, согласно которой Саяно-Шушенский гидроузел обязаны были возводить десятым, а Красноярский гидроузел – двадцатым.

Я был непосредственным участником создания и эксплуатации Красноярского гидроузла с 1962 года по 1978 год, поэтому знаю основные проблемы, которые по разным причинам не удалось решить.

Например, для обеспечения гарантии защиты города Красноярска рассматривался вариант увеличения порожней емкости Красноярского водохранилища путем подъема нормального подпорного уровня (НПУ) на 12 м до уровня 255,0 м (сейчас 243,0 м) с переносом городов Минусинск, Абакан и многих других поселений.

Именно тогда было принято решение форсировать создание Саяно-Шушенского гидроузла, а для его защиты в 1975 году начать создание Сейбинского и Уюкского гидроузлов на Большом Енисее в Туве.

В связи с тем, что приоритет в энергетике был отдан нефти, газу и углю, многие начатые гидротехнические объекты были законсервированы, а новые отказались создавать.

Для Саяно-Шушенского гидроузла, как тогда казалось, выход был найден в создании водосброса с глубинным водозабором для того, чтобы обеспечивалась возможность холостого сброса воды в период заполнения порожней емкости водохранилища.

В период создания Красноярского гидроузла о необходимости водосброса с глубинным водозабором речи не шло. До 1972 года не существовало понятий «гидрологическая безопасность» и «резерв гидрологической безопасности», а расчеты порожней полезной емкости выполнялись на максимальный расчетный объем притока воды ежегодной вероятностью превышения 0,1% (вероятность события 1 раз за 1000 лет).

Порожняя полезная емкость водохранилища обязана была трансформировать (снижать) максимальный расчетный расход притока воды ежегодной вероятностью превышения 0,1% до максимального расчетного сбросного расхода воды в нижний бьеф.

Расчетный максимальный сбросной расход воды в нижний бьеф Красноярского гидроузла после заполнения водохранилища до НПУ 243,0 м в объеме 30,4 км³ составлял 33400 м³/с, а в нижний бьеф Саяно-Шушенского гидроузла после заполнения водохранилища до НПУ 540,0 м в объеме 15,3 км³ – 19100 м³/с [1].

С 1972 года требования к пропуску высоких вод ужесточили. Гидроузлы и водохранилища стали обязывать проектировать на пропуск расхода притока ежегодной вероятностью превышения 0,01% + ? (вероятность события 1 раз за 10000 лет с гарантийной поправкой до 20%).

В этих целях обязаны были предусматривать резервную порожнюю емкость водохранилища, позволяющую задерживать на короткое время разницу объема притока воды ежегодной вероятностью превышения 0,01% + ? и 0,1%.

В 1972 году Красноярский гидроузел был принят в промышленную эксплуатацию, поэтому практически отсутствует резервный объем водохранилища, но допускается превышение НПУ 243,0 м на 0,5 м.

А для строящегося Саяно-Шушенского гидроузла решили создать резервный порожний объем около 3 км³ за счет увеличения высоты плотины на 3 м.

После создания Саяно-Шушенского гидроузла максимальный сбросной расход воды в нижний бьеф Красноярского гидроузла при пропуске притока ежегодной вероятностью превышения расхода 0,01% + ? был пересчитан и снизился с 33400 м³/с до 20600 м³/с , а в нижний бьеф Саяно-Шушенского гидроузла снизился после пересчета с 19100 м³/с до 17040 м³/с [2].

С 1997 года по состоянию Саяно-Шушенской плотины запретили заполнять резервный объем водохранилища СШГЭС. Форсированный подпорный уровень (ФПУ) понизили на 4,5 м с уровня 544,5 м до уровня 540,0 м, а нормальный подпорный уровень (НПУ) снизили на 1 м с уровня 540,0 м до уровня 539,0 м.

За счет начала холостого сброса воды при достижении уровня заполнения 510,0 м и поддержания этого уровня до 20 мая расчетный максимальный сбросной расход воды в нижний бьеф Саяно-Шушенского гидроузла был вторично пересчитан в сторону снижения с 17040 м³/с до 13300 м³/с [3].

Однако осуществить на практике такое снижение сбросного расхода в нижний бьеф Саяно-Шушенской ГЭС нельзя по следующим основным причинам:

• — реальный гидрограф не может соответствовать принятой версии расчетного гидрографа;
• — большая вероятность заниженного прогноза притока воды в водохранилище;
• — порожний объем водохранилища занижен на величину объема холостого сброса воды;
• — запас пропускной способности гидроузла в период заполнения порожнего полезного объема водохранилища отсутствует, так как холостой сброс воды с пониженного уровня водохранилища использован при выполнении перерасчета сбросного расхода на компенсацию дефицита порожней емкости.

Если возникнет непредвиденное обстоятельство (авария или отказ в работе оборудования), а прогноз притока воды окажется заниженным и холостой сброс начнется позже, то потребуется использовать всю имеющуюся пропускную способность Саяно-Шушенского гидроузла, составляющую 19190 м³/с (13090 – эксплуатационный водосброс, 4000 – дополнительный береговой водосброс и 2100 – турбины СШГЭС).

Вполне вероятна ситуация вынужденного заполнения водохранилища выше ФПУ 540,0 м ради защиты объектов нижнего бьефа Саяно-Шушенской ГЭС, в том числе Майнской плотины, от разрушений. Необходимо особо подчеркнуть, что такое событие вполне вероятно в наше время.

Если к началу половодья Красноярское водохранилище не будет опорожнено до уровня мертвого объема (УМО) 225,0 м, то при сбросном расходе более 19000 м³/с в нижний бьеф Саяно-Шушенского гидроузла, сбросной расход в нижний бьеф Красноярского гидроузла может оказаться выше 20000 м³/с.

Полезный объем Красноярского водохранилища между уровнями 225,0 и 233,0 м составляет 12,339 км³ и заполняется только при расходе воды через турбины, между уровнями 233 и 243 м – 18,061 км³ и заполняется при растущем сбросном расходе воды в нижний бьеф.

Бытует ошибочное мнение, что вероятность расчетного максимального сбросного расхода воды в нижний бьеф Красноярского гидроузла, тем более вероятность его превышения, чрезвычайно мала, поэтому вполне достаточно обеспечить безопасность пропуска притока обеспеченностью 1%, то есть достаточно опорожнение водохранилища до уровня 230,0 м вместо уровня 225,0 м по проекту.

Смысл такого регулирования понятен: если не сохранять запас воды, то в маловодный период вполне вероятно снижение судоходного и даже санитарного попусков.

При этом сильно недооценивается или даже вовсе не придается должного значения крайне высокой неравномерности притока воды в водохранилища, связанной с нарушением очередности возведения гидроузлов на Енисее.

Сейчас к началу половодья Красноярское водохранилище срабатывается до уровня 230,0 м или даже выше. Например, в 2015 году 13 апреля достигли уровня 230,58 м, а к 24 апреля он повысился до 231,26 м. Это означает, что около 10 км³ порожнего объема водохранилища не будет участвовать в регулировании стока. Такое регулирование может привести к повышенному сбросному расходу воды в нижний бьеф Красноярской ГЭС в случае многоводного дождевого паводка или возникновения непредвиденного обстоятельства на любом из гидроузлов каскада.

Опыт пропуска половодья и дождевых паводков в 2006 году говорит о повышенной вероятности уже в наше время сбросных расходов воды в нижние бьефы ГЭС, которые по расчетам вероятны 1 раз за 1000 лет.

Необходимо было учитывать следующие особенности расчетов порожнего полезного и порожнего резервного объемов водохранилищ:

• — при годичном регулировании стока порожний полезный объем в течение года обязан принять два объема притока воды: один — в половодье с 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 с вероятностью 0,01% + ? и 0,1%: половину объема при заполнении, 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 опоражнивать полезный объем водохранилища годичного регулирования до уровня мертвого объема перед началом каждого половодья.

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

Расчет пропуска половодья ежегодной вероятностью превышения 0,01% + ? (поверочный расчетный случай) предусматривает поддержание расчетного максимального сбросного расхода воды, допустимого для нижнего бьефа, за счет заполнения порожнего резервного объема водохранилища и его последующего 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.

Нарушение вышеуказанных особенностей расчетов порожних емкостей водохранилищ и режима их эксплуатации неминуемо приводит к полной зависимости регулирования стока от прогнозов, достоверность которых крайне низка, к увеличению сбросных расходов воды в нижние бьефы, к увеличению объемов холостого сброса воды.

В сложившихся условиях радикальным быстровыполнимым и наиболее эффективным со всех точек зрения решением является не создание дополнительных водосбросов, а создание водохранилищ-регуляторов стока без ГЭС в верховье в Туве, способных задержать до сентября 10-12 км³ воды.

Водохранилище-регулятор стока позволяет повышать достоверность прогнозов притока воды, гарантирует снижение объемов холостого сброса воды и сбросных расходов в нижние бьефы гидроузлов, увеличивает выработку электроэнергии.

До создания водохранилищ-регуляторов стока в Туве Красноярское водохранилище во избежание катастрофического затопления нижнего бьефа обязаны перевести в режим годичного регулирования.

Решение по созданию водохранилищ-регуляторов стока в Туве должно быть принято государственными органами без промедления.

Литература:

[1] “Гидроэлектростанции Советского Союза”, Часть 1, Справочник, типография института Гидропроект, М., 1967г.

[2] В.И.Брызгалов “Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций”, Сибирский издательский дом”Суриков”, Красноярск, 1999

[3] А.И.Ефименко, Г.Л.Рубинштейн “Водосбросные сооружения Саяно-Шушенской ГЭС”. СПб: Изд-во ОАО «ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева», 2008.

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!»