Главная проблема на Енисее не решена

Главной проблемой на Енисее по-прежнему остается крайняя необходимость увеличения порожних объемов водохранилищ Саяно-Шушенской ГЭС и Красноярской ГЭС для обеспечения безопасного пропуска половодий и дождевых паводков. К сожалению, ее решение даже не планируется. Причина такого отношения кроется в опасном заблуждении, что эта проблема в свое время была решена путем выполнения расчетов с применением холостого сброса воды в период заполнения порожнего полезного объема водохранилищ ГЭС.

Именно так было обосновано создание Красноярского водохранилища первым, а Саяно-Шушенского водохранилища вторым в каскаде, хотя по схеме использования водных ресурсов Красноярское водохранилище должно было создаваться двадцать вторым, а Саяно-Шушенское — десятым в каскаде ГЭС.

Проектировщики не без гордости поясняют, что решение об эксплуатационных глубинных водосбросах в теле Саяно-Шушенской плотины принималось с учетом того, что “глубинные водосбросы в условиях достаточно емкого водохранилища с годичным регулированием стока реки позволяют производить планируемые сбросы расходов половодья при пониженных уровнях верхнего бьефа. К моменту прохождения пика половодья водохранилище располагает достаточной резервной емкостью, позволяющей уменьшить сбрасываемый через гидроузел расход ”. [1]

Негативные последствия этого нововведения в гидротехнику трудно оценить, потому что их опасность в большой степени скрыта. В маловодные годы они проявляется сравнительно небольшими затоплениями, но в будущем обязательно проявит себя катастрофами.

Именно благодаря этому нововведению проблема дефицита порожней емкости водохранилищ на многие годы перестала быть актуальной и появилась возможность осваивать самые удобные для строительства створы вблизи крупных городов. Так была создана видимость безопасности нижних бьефов, которые продолжали бесконтрольно застраиваться.

Расчетами пропуска половодий и дождевых паводков в проектных организациях владел узкий круг специалистов, которым доверяли и не подвергали анализу результаты их работы. Гидроэлектростанции получали инструкции по эксплуатации, разработанные на основе результатов таких расчетов, а методикой расчетов, как правило, не владели. Считалось, что запас надежности пропуска половодий и дождевых паводков заложен в гарантийной поправке ? к максимальному расходу притока воды.

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.

Причину частых затоплений в верхних и нижних бьефах ГЭС в обычные по водности годы (многоводных пока не наблюдали) стали видеть в низкой достоверности прогнозов притока воды. К многоводным годам стали относить годы, которые приходят несколько раз в течение 100 лет. Расчетные притоки стали считать маловероятными, а затраты на обеспечение безопасности при них не целесообразными.

В итоге положение с пропуском половодий и дождевых паводков на большинстве гидроузлов стало критическим. При завышенном прогнозе притока воды в маловодный год приходится напрасно выполнять холостой сброс воды, а при заниженном прогнозе в многоводный год сбрасывать воду с повышенным сбросным расходом воды в нижний бьеф.

Порожний полезный объем водохранилища годичного регулирования назван полезным именно потому, что он должен в течение года заполняться и опоражниваться за счет разницы расхода притока воды ежегодной вероятностью превышения 0,1% (основной расчетный случай) и среднего надежно гарантированного расхода воды через турбины без выполнения холостого сброса воды.

Холостой сброс воды в период заполнения водохранилища до НПУ является основным резервом гидрологической безопасности, предназначенным на период длительной эксплуатации гидроузла.

Холостой сброс воды в период заполнения водохранилища до НПУ должен выполняться только в период постоянной эксплуатации сооружений и только при возникновении непредвиденных обстоятельств (авария, отказ в работе оборудования, прогноз притока выше принятого в расчетах и т.п.).

Если порожний полезный объем водохранилища позволяет принять объем притока воды вероятностью превышения 0,1% за исключением объема воды, использованного на выработку электроэнергии, то зависимость регулирования речного стока от достоверности прогноза становится минимальной.

Если в период пропуска половодий и дождевых паводков возникает непредвиденное обстоятельство, то в любой момент можно начать холостой сброс воды, то есть воспользоваться основным резервом гидрологической безопасности.

Использование холостого сброса воды в расчетах для компенсации дефицита порожней емкости водохранилища приводит к снижению гидрологической безопасности сразу по нескольким направлениям: лишает гидроузел основного резерва на непредвиденные обстоятельства, занижает порожний полезный объем водохранилища на величину объема холостого сброса воды и приводит регулирование речного стока к полной зависимости от достоверности прогноза.

Порожний резервный объем назван резервным потому, что он должен заполняться и опоражниваться за счет разницы расхода притока воды ежегодной вероятностью превышения менее 0,1% (поверочный расчетный случай) и максимального расчетного сбросного расхода воды в нижний бьеф, позволять кратковременно задерживать при своем заполнении и опорожнении весь повышенный объем притока воды, сохраняя расчетную величину максимального расчетного сбросного расхода воды в нижний бьеф ГЭС.

Если порожний резервный объем водохранилища при своем заполнении и опорожнении позволяет принять всю разницу объема притока воды вероятностью превышения 0,01% + ? и 0,1%, то превышение максимального расчетного сбросного расхода воды в нижний бьеф становится невозможным.

В действительности, расчеты порожнего резервного объема выполняются с использованием повышенного сбросного расхода воды в нижний бьеф ГЭС, что приводит к занижению порожнего резервного объема на величину повышенного объема холостого сброса воды.

Дополнительным резервом гидрологической безопасности является возможность кратковременной одновременной работы всех турбин ГЭС при наличии полной схемы выдачи мощности, построенной с учетом выполнения международного критерия n-1. Как известно, выдача мощности многих ГЭС ограничена.

Если в период заполнения или опорожнения водохранилища происходит авария или отказ в работе водосброса, то при наличии полной схемы выдачи мощности ГЭС, всегда можно включить в работу одновременно все турбины, то есть воспользоваться дополнительным резервом гидрологической безопасности.

Наконец, если была нарушена очередность возведения гидроузлов в каскаде, то всегда существует возможность создать дополнительное водохранилище в верховье или на боковом притоке.

Итак, можно уверенно констатировать, что уникальный Саяно-Шушенский гидроузел имеет сегодня дефицит порожней емкости, сопоставимый с полезной емкостью. Он практически не имеет резервной емкости, но имеет в верхней части водохранилища емкость около 3 км³, которую заполнять запрещено по состоянию плотины СШГЭС. На сегодняшний день он имеет временно установленный нормальный подпорный уровень 538,0 м и пока нет решения о возможном постоянном НПУ. У него полностью отсутствуют резервы гидрологической безопасности. Это беспрецедентный случай в гидротехнике мира.

Плотина нуждается в регулировании скорости заполнения водохранилища, которое можно выполнять только путем холостого сброса воды. Регулирование речного стока оказалось в полной зависимости от прогноза притока воды. Достоверность прогнозов притока воды низкая, то есть вероятность переполнения водохранилища и нижнего бьефа даже при отсутствии непредвиденных обстоятельств и при притоке, который может быть 1 раз за 100 лет, чрезвычайно велика.

Положение усугубляется тем, что нижний бьеф Саяно-Шушенского гидроузла подперт плотиной Майнского гидроузла, снижающей безопасную пропускную способность нижнего бьефа до 7000 м³/с.

Поселок Черемушки из-за подпора начинает подтапливаться при уровне 324,6 м, когда сбросной расход начинает превышать 7000 м³/с. По расчетам к диспетчерскому графику 2011 года при расходе 10260 м³/с уровень воды у поселка мог повыситься еще на 3,2 м.

Порожний объем Саяно-Шушенского водохранилища изначально был мал. Именно поэтому максимальный расчетный расход притока воды, равный 23900 м³/с, можно было снизить до сбросного расхода воды в нижний бьеф СШГЭС, равного 17000 м³/с, только при обязательном выполнении трех условий:

• — ежегодной предполоводной сработки водохранилища СШГЭС до уровня мертвого объема (УМО) 500,0 м;
• — заполнении порожнего объема водохранилища СШГЭС до форсированного подпорного уровня (ФПУ) 544,5 м;
• — холостого сброса воды при заполнении порожнего объема Саяно-Шушенского водохранилища, начиная с уровня 535,0 м.

Если прогноз притока воды оказывался заниженным, то необходимо было в нижний бьеф сбрасывать не 17000 м³/с, как это следовало из расчета, а гораздо больше вплоть до перелива воды через гребень плотины СШГЭС. Например, в 2006 году расход притока воды в июле при заполненном водохранилище оказался почти в два раза выше прогнозируемого.

С 1997 года для исключения перегрузки плотины Саяно-Шушенское водохранилище разрешено заполнять только до уровня 540,0 м, с ограничением скорости заполнения водохранилища, которое осуществляется путем холостого сброса воды. Скорость заполнения дает представление о состоянии процесса регулирования речного стока на данный момент времени, но не может дать представления о перспективе.

По новому расчету после обязательной ежегодной предполоводной сработки водохранилища до уровня мертвого объема (УМО) 500,0 м, холостой сброс воды обязаны начинать в самом начале половодья с уровня 510,0 м, иначе нельзя исключить переполнение водохранилища выше уровня 540,0 м и одновременно снизить сбросной расход воды в нижний бьеф до 13300 м³/с.

Бытует мнение, что с созданием дополнительного берегового водосброса все проблемы Саяно-Шушенского гидроузла практически решены и окончательно будут решены после создания дополнительного водосброса на Майнском гидроузле.

Я своевременно предупредил руководство страны о необходимости отказа от строительства дополнительного берегового водосброса, тем более с завышенными порогами на уровне 524,0 м, поскольку он не способен снизить сбросной расход воды в нижний бьеф Саяно-Шушенской ГЭС и нагрузку на эксплуатационный водосброс.

Когда поняли ошибку, то стали утверждать, что он предназначен для пропуска дождевых паводков при заполненном водохранилище до уровня 530,0 м и позволяет выполнять ремонт эксплуатационного водосброса. Время и огромные ресурсы были, к сожалению, потрачены на неэффективный проект.

Действительно, после создания дополнительного берегового водосброса пропускная способность Саяно-Шушенского гидроузла возросла до 19190 м³/с, но главную проблему – проблему снижения сбросного расхода воды в нижний бьеф – не решили.

Переустраивать на повышенный сбросной расход весь нижний бьеф, включая Майнский гидроузел и его нижний бьеф до Красноярского водохранилища, конечно, можно, расходуя снова, как и при строительстве берегового водосброса, огромные ресурсы и время.

Но, безусловно, лучше эти огромные ресурсы и время израсходовать на снижение сбросного расхода в нижний бьеф Саяно-Шушенского гидроузла, а затем на зарегулированном стоке построить Очурский и Минусинский гидроузлы и увеличить установленную мощность Майнского гидроузла.

В таком безнадежном положении у нас в стране находится, пожалуй, только Саяно-Шушенский гидроэнергетический комплекс. И связано это с тем, что расчеты пропуска половодий и дождевых паводков предусматривали холостой сброс воды с уровней ниже нормального подпорного уровня (НПУ) и повышенный холостой сброс воды при заполнении водохранилища до форсированного подпорного уровня (ФПУ).

Он не может противостоять возможностям огромной площади водосбора, равной 179900 км², расположенной в Саянских горах, на которой схемой использования водных ресурсов было предусмотрено создать десять водохранилищ. Для Саяно-Шушенского гидроузла всегда был опасен пропуск половодья, а сейчас стал не менее опасен пропуск многоводного дождевого паводка при высоких уровнях заполнения водохранилища.

Эти обстоятельства нельзя не учитывать при регулировании сток на Красноярском гидроузле. Проблема дефицита порожней емкости Красноярского водохранилища годичного регулирования всегда была актуальной и для Красноярского гидроузла.

Для снижения расхода притока воды с 39000 до 20000 м³/с до создания Саяно-Шушенского гидроузла вполне обоснованно предлагали повысить на 12 м НПУ 243,0 м до уровня 255,0 м с переносом Абакана и Минусинска и многих других поселений.

При НПУ 243,0 м и прогнозе притока воды 39000 м³/с расчеты предусматривали обязательную предполоводную сработку водохранилища до УМО 225,0 м, обязательный холостой сброс воды с уровня порогов поверхностного водосброса 233,0 м, достигающий 12000 м³/с при НПУ, и одновременную работу всех турбин ГЭС с расходом 7200 м³/с.

Необходимо учесть, что гарантийная поправка ? к расчетному расходу притока воды ежегодной вероятности превышения 0,01% на Енисее принимались в пределах 10%, тогда как по своду правил, например, СП 33.01-2003, п. 5.31, эта поправка могла достигать 20%.

Не секрет, что максимальные расходы, как правило, проходят ночью, но пункты по учету стока на реках не были обеспечены приборами и устройствами для регистрации истинно максимальных расходов в ночное время. Ошибки при вычислении максимальных величин расходов воды статистического ряда и слоев стока по оценкам специалистов достигали 20%.

После создания Саяно-Шушенского водохранилища без какого-либо обоснования стали эксплуатировать Красноярское водохранилище в режиме многолетнего регулирования стока, выполняя обязательную ежегодную предполоводную сработку до уровня 230,0 м, вместо опорожнения до УМО 225,0 м.

Об опасности такого регулирования на Енисее можно судить по результатам 2006 года. В 2006 году половодье в створе Саяно-Шушенского гидроузла было маловодным обеспеченностью притока 54% в мае (такое событие случается 1 раз за 1,85 лет), 8% в июне (такое событие случается 1 раз за 12,5 лет). И только в дождевой паводок 12- 15 июля пик расхода притока воды достиг величины 7900 м³/с, то есть оказался обеспеченностью более 1%. По расчетам в июльский дождевой паводок 1%-ной обеспеченности пик расхода достигает 9025 м³/с.

Даже в 2006 году — году ниже средней водности — сбросной расход воды в нижний бьеф Саяно-Шушенского гидроузла достиг 7700 м³/с, который должен быть только при пропуске расчетного притока воды, а объем холостого сброса воды оказался равным емкости водохранилища, составляющей 15 км³.

Сбросной расход и объем холостого сброса воды в нижний бьеф Красноярского гидроузла составили соответственно 10500 м³/с и 17,87 км³.

Если ничего не предпринимать, то при расчетном объеме притока воды в Саяно-Шушенское водохранилище за пять месяцев (май-сентябрь), равном 68,2 км³, объем холостого сброса воды при своевременном его начале может оказаться не менее 26 км³.

В нижний бьеф Красноярского гидроузла мимо турбин потребуется сбросить не менее 30 км³ при условии, что предполоводная сработка водохранилища будет выполнена до УМО 225,0 м, сбросной расход воды в нижний бьеф будет максимальным, начиная с уровня порогов водосброса 233,0 м и будет расти до пропускной способности гидроузла, равной 20600 м³/с.

В результате холостого сброса в 2006 году воронка размыва в нижнем бьефе Красноярского гидроузла увеличилась на 4,6 м в глубину. По результатам обследования 2007 года воронка размыва имеет распластанную форму в плане длиной 378 метров, шириной 205 метров и две четко выраженные воронкообразные впадины глубиной 32,7 и 23,70 метра.

В образовании воронки размыва нет ничего неожиданного. Неожиданными нужно считать размеры воронки при пропуске половодий и паводков обеспеченностью ? 1%, потому что таких размеров воронка размыва по расчетам должна была достичь только после неоднократного пропуска высоких вод вероятностью превышения ? 1%. Это обстоятельство обязывает принять меры к снижению объема притока воды в наиболее напряженный период года (май – сентябрь).

К великому сожалению, можно утверждать, что у нас в России наблюдается полное отсутствие анализа первоначально выполненных расчетов пропуска половодий и дождевых паводков и их сравнения с нынешними расчетами, выполненными с учетом изменения требований и обстановки.

Теперь, скорее всего, не найти тех версий расчетных гидрографов, чтобы проверить первоначальные расчеты, которые предусматривали холостой сброс воды с уровней ниже НПУ и повышенный сброс воды с уровней ниже ФПУ, то есть занижали порожние объемы водохранилищ.

Известно, что главной проблемой на Енисее всегда была проблема пропуска половодья, а в нынешних условиях добавилась не менее сложная проблема пропуска дождевых паводков при высоких уровнях воды в водохранилищах.

Справиться с пропуском расчетного притока можно только при условии, что обязательный холостой сброс начнется с низких уровней водохранилища и не возникнет непредвиденное обстоятельство, которое, как показывает опыт, исключать нельзя.

Если на площади водосбора 288200 км², которой противостоит Красноярский гидроузел, после дождливой осени выпадет много снега, а весна окажется дружной и дождливой, то последствия сложно предсказать.

Совершенно очевидно, что на Енисее нужно срочно строить хотя бы два водохранилища на площади водосбора в Туве, которые планировали начать строить еще в 1975 году. Эффективность водохранилищ и окупаемость затрат на их создание несомненна. Как показывает опыт, такие решения у нас принято принимать только после катастрофы. Будем ждать?!

Литература:

[1] 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!"