Как избежать потопа на Енисее

Потопа на Енисее нельзя избежать путем создания дополнительного водосброса на Майнском гидроузле. Также не следовало создавать дополнительный береговой водосброс для Саяно-Шушенского гидроузла. Проблемы на Енисее можно решить только путем снижения сбросных расходов в нижние бьефы всех трех гидроузлов (Саяно-Шушенской ГЭС, Майнской ГЭС, Красноярской ГЭС), то есть путем повышения равномерности притока воды в енисейские водохранилища в течение года.

1. О сути разногласий с позицией Ленгидропроекта

Ленгидропроект на мою критику их расчетов отвечает:

“Нам известна позиция Бабкина, состоящая в том, что водохранилище должно обеспечить прием всего объема любого паводка, даже при отсутствии каких-либо мероприятий по сбросу воды через водосброс.

Это противоречит пункту 5.4.2 СНиП 33-01-2003, где сказано «Расчетный расход воды, подлежащий пропуску в процессе эксплуатации через постоянные водопропускные сооружения гидроузла, следует определять исходя из расчетного максимального расхода, полученного в соответствии с пунктом 5.4.1, с учетом трансформации его создаваемыми для данного гидротехнического сооружения или действующими водохранилищами».

Трансформация паводка осуществляется путем выполнения действий, предписываемых «Правилами использования водохранилища». Такова существующая на сегодня практика. Так спроектированы все ГЭС России, такая же практика существует на зарубежных ГЭС”.

На самом деле мои разногласия с расчетами Ленгидропроекта при проектировании гидроузлов на Енисее сводятся к соблюдению очередности возведения гидроузлов, которая исходит из здравого смысла и требований пункта 5.4.2 СНиП 33-01-2003 и всех прежних норм. В верховье в Туве не создано ни одного водохранилища из восьми, предусмотренных схемой освоения водных ресурсов.

Полезная емкость Саяно-Шушенского водохранилища по расчетам Ленгидропроекта без холостого сброса воды с уровня 510,0 м, то есть холостого сброса практически в течение всего периода заполнения полезной емкости, оказалась неспособной снизить максимальный расчетный расход воды ежегодной вероятностью превышения 0,1% (основной расчетный случай) до приемлемой величины сбросного расхода воды в нижний бьеф Саяно-Шушенского гидроузла, составляющего 7000 м³/с.

Ниже будет показано, что на практике такое регулирование стока не выполнимо, то есть сбросной расход воды в нижний бьеф всегда будет оказываться значительно выше 7000 м³/с.

Резервная емкость, предназначенная для срезки максимального расчетного расхода притока воды ежегодной вероятностью превышения 0,01% + ? до сбросного расхода воды в нижний бьеф основного расчетного случая, составляющего 7000 м³/с, практически отсутствует и составляет всего 0,62 км³, то есть максимальный расчетный расход воды в нижний бьеф Саяно-Шушенской ГЭС на практике всегда будет оказываться значительно выше 13300 м³/с.

Более того, в верхней части Саяно-Шушенского водохранилища расположена порожняя емкость около 2,5 км³, которую заполнять запрещено, поскольку тогда плотина СШГЭС окажется перегруженной.

Подобную практику выбора первоочередного створа для уникального гидроузла, регулирования стока путем холостого сброса воды параллельно с заполнением полезной емкости, отсутствия резервной емкости, наличия в верхней части водохранилища емкости, запрещенной для заполнения и наличия в нижнем бьефе водохранилища суточного регулирования, снижающего пропускную способность нижнего бьефа, в мировой практике гидротехнического строительства трудно сыскать.

Проектирование полезной емкости водохранилища и водосбросных сооружений Саяно-Шушенского гидроузла обязаны были выполнять в соответствии требованиям СНиП 2.06.06-85 для основного расчетного случая притока воды ежегодной вероятностью превышения расхода 0,1% и в частности:

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.

Требования п.5.31 обязывают при любых обстоятельствах не превышать величину сбросного расхода воды в нижний бьеф по сравнению с основным расчетным случаем 0,1%. Это требование на практике оказались не выполнимым по причине использования холостого сброса воды в период заполнения полезной емкости (о причинах будет сказано ниже) и отсутствия резервной емкости водохранилища.

“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.

Иначе говоря, при пропуске высоких вод (поверочный расчетный случай 0,01% + ?) заполнение и опорожнение резервной емкости водохранилища, расположенной выше НПУ, должно происходить без увеличения максимального расчетного сбросного расхода воды Q_сбр основного расчетного случая 0,1%. Но это требование выполнить нельзя по причине отсутствия резервной емкости.

Если ответить совсем коротко, то в ответе Ленгидропроекта сознательно не делается различия между расчетами и практикой регулирования стока.

Если при выполнении расчетов пропуска высоких вод используется холостой сброс воды в период заполнения полезной емкости водохранилища, имеющей дефицит емкости, то на практике холостой сброс воды становится обязательным даже при обеспеченности притока 5% и более.

Если дефицит полезной емкости водохранилища отсутствует, то на практике холостой сброс воды становится необходимым в любой момент заполнения полезной емкости только при возникновении непредвиденных обстоятельств (авария, отказ в работе оборудования и т.п.).

Естественно, что полезная емкость водохранилища сможет обеспечивать прием объема притока воды ежегодной вероятностью превышения 0,1%, за исключением учтенного расчетом объема воды через турбины, если соблюдается рекомендация пункта 5.4.2. СНиП 33-01-2003, то есть первым создается гидроузел в самом верхнем створе схемы освоения водных ресурсов бассейна, а затем создаются нижерасположенные гидроузлы, а при определении уровня мертвого объема водохранилища (УМО) отдается приоритет гидрологической безопасности.

2. Почему регулирование стока на практике не может соответствовать расчетам Ленгидропроекта

Результаты регулирования стока на практике всегда будут хуже, чем по расчетам Ленгидропроекта, поскольку максимальный сбросной расход воды в нижний бьеф Саяно-Шушенского гидроузла при пропуске притока ежегодной вероятностью превышения 0,1% (основной расчетный случай) по расчетам снижается до 7000 м³/с только при обязательном выполнении нескольких невыполнимых на практике условий, таких, например, как:

— если своевременно получен достоверный прогноз притока воды за 30 суток половодья, равный 30 км³;

— если заполнение полезной емкости водохранилища начнется при расходе притока воды выше 2100 м³/с;

— если расход воды через турбины в период заполнения полезной емкости будет соответствовать средней надежно гарантированной величине 2100 м³/с;

— если холостой сброс воды начнется своевременно 20 мая с уровня 510,0 м;

— если в период заполнения полезной емкости водохранилища до НПУ 539,0 м будет сброшен мимо турбин излишний объем притока воды (по моему расчету 5,75 км³; если предыдущие условия не выполняются, то излишний объем, подлежащий холостому сбросу, соответственно увеличивается);

— если не произойдет непредвиденное обстоятельство (авария, отказ в работе оборудования и т.п.).

Накопленный опыт пропуска половодий и паводков обеспеченностью до 1% показывает, что достоверность прогноза половодья на Енисее не превышает 70%, а дождевые паводки не прогнозируются и зачастую накладываются на половодье, поэтому на практике сбросной расход и объем холостого сброса воды оказываются соответственно выше 7000 м³/с и 5,75 км³ даже при обеспеченности притока воды до 1%.

Например, в 2006 году при обеспеченности притока 54% в мае, 8% в июне и более 1% в июле сбросной расход достиг 7700 м³/с, а объем холостого сброса воды составил 15 км³. Верхняя отметка 537,5 м, которая должна быть достигнута только в конце месяца, была набрана уже 12 июля.

На практике регулирование стока осуществляется под постоянным прессом необходимости заполнения емкости водохранилища до НПУ для гарантии работы ГЭС. Емкость начинают заполнять преждевременно при расходе притока воды 1000-1200 м³/с и заполняется она преждевременно при среднем расходе воды через турбины гораздо ниже 2100 м³/с, предусмотренных расчетами.

Для снижения сбросного расхода до 13300 м³/с (поверочный расчетный случай) холостой сброс воды по расчету Ленгидропректа следует начинать 20 мая с уровня 510,0 м, если по прогнозу за 30 суток половодья приток воды превышает 30 км³, то есть при выполнении обязательных условий, указанных выше. Но к этим условиям добавляется отсутствие резервной емкости и запрет заполнять порожнюю емкость, расположенную выше ФПУ 540,0 м.

Иначе говоря, на практике максимальный расчетный сбросной расход воды окажется всегда выше 13300 м³/с. Но уже при расходе 13300 м³/с по причине наличия Майнского водохранилища суточного регулирования уровень воды у поселка Черемушки оказывается на 3,9 м выше уровня начала подтопления.

Такие расчеты занижают максимальный расход воды в нижний бьеф, обосновывают достаточность полезной емкости водохранилища при ее фактическом дефиците, составляющем 5,75 км³, обосновывают отсутствие резервной емкости водохранилища, создают видимость благополучия и в итоге препятствуют принятию необходимых мер по повышению гидрологической безопасности на Енисее.

Результаты регулирования стока на практике всегда будут хуже, чем по расчетам Ленгидропроекта, поскольку проектная организация выполняет расчеты по принятой версии гидрографа и достоверному прогнозу притока воды, а регулирование стока на практике выполняется по неизвестному гидрографу и, как правило, ошибочному и зачастую заниженному прогнозу притока воды.

Результаты регулирования стока на практике будут еще более непредсказуемыми, если в самый ответственный момент перед началом половодья возникнет непредвиденное обстоятельство, поскольку резерв гидрологической безопасности, заключающийся в холостом сбросе воды в период заполнения полезной емкости водохранилища, использован проектной организацией при выполнении расчетов на снижение сбросного расхода в нижний бьеф Саяно-Шушенского гидроузла.

Правила использования водных ресурсов (ПИВР) водохранилищ, разрабатываемые с учетом расчетов Ленгидропроекта, приводят, как правило, к затоплениям при пропуске притока весьма далекого от максимального расчетного. Тому примером могут быть затопления последних лет на Оби и Амуре.

3. Что необходимо сделать в сложившейся обстановке

Необходимо обеспечить безусловное регулирование стока, то есть исключить все основные условия, которые приведены в разделе 2, для того, чтобы получить однозначное решение проблемы, сохранив в неприкосновенности резерв гидрологической безопасности на непредвиденные обстоятельства.

Гидрологические сведения по расчетным расходам и объемам стока воды в Саяно-Шушенское водохранилище с площади водосбора 189000 км² (таблице 1), откорректированные Ленгидропроектом ([1], стр. 16), принимаются за основу дальнейших расчетов.

Таблица 1

3.1 Основной расчетный случай

Объем стока воды ежегодной вероятностью превышения 0,1% за 30 суток половодья по расчетам Ленгидропроекта может составить 25,9 км³ (таблица 1). При среднем расходе воды через турбины 2100 м³/с за 30 суток половодья объем использованной воды на выработку электроэнергии составит 2100 ? 30 ? 24 ? 60 ? 60 = 5,44 км³. Полезная емкость при заполнении до НПУ 539,0 м сможет принять 14,71 км³ воды. Объем холостого сброса воды составит 25,9 – 14,71- 5,44 = 5,75 км³.

Для исключения холостого сброса воды полезную емкость водохранилища следует увеличить до 14,71 + 5,75 = 20,46 км³.

По расчетам проектной организации (таблицы 1 и 2) при пропуске половодья ежегодной вероятностью превышения расхода притока воды 0,1%, объеме притока за 30 суток половодья 25,9 км³, среднем расходе воды через турбины 2100 м³/с, холостом сбросе 5,75 км³ и заполнении водохранилища до НПУ 539,0 м, максимальный сбросной расход воды достигает 7000 м³/с.

Расходы и уровни водохранилища при пропуске весеннего половодья и дождевых паводков через сооружения Саяно-Шушенского гидроузла по расчетам Ленгидропроекта [1], стр. 457 представлены в таблице 2.

Таблица 2

Следовательно, при заполнении полезной емкости водохранилища, равной 20,46 км³, без выполнения холостого сброса воды максимальный расчетный сбросной расход воды в нижний бьеф при пропуске притока ежегодной вероятностью превышения расхода 0,1% составит 7000 м³/с.

3.2 Поверочный расчетный случай

Предлагается приравнять резервную емкость водохранилища к половине разницы объема притока воды ежегодной вероятности превышения расхода 0,01% + ? и 0,1, а именно: (34,1 – 25,9) : 2 = (68,2 – 60,0) : 2 = 4,1 км³ (таблица 1) и использовать ее исключительно для кратковременного приема притока воды, заполняя и опоражнивая при сбросном расходе воды основного расчетного случая 0,1%, равном 7000 м³/с.

Расчеты выполним для самого тяжелого случая пропуска притока ежегодной вероятностью превышения расхода 0,01% + ? в половодье с наложением на него дождевого паводка, в июльский и августовский дождевые паводки (таблица 2) с общим объемом притока воды 68,2 км³ в течение 153 суток (май-сентябрь).

Распределение этого объема представим следующим образом:

W = 68,2 = 2 ? 34,1 = (20,46 + 5,44 + 8,2) + (22,32 + 11,78) = (11,22 + 5,44 + 9,24 +4,1 + 4,1) + (22,32 + 7,22 + 4,56) км³, где:

— (20,46 + 5,44 + 8,2) – объем притока воды в течение 30 суток половодья;

— (11,22 + 5,44 + 9,24 +4,1 + 4,1) – перераспределение объема притока воды в половодье: 11,22 — в полезную емкость Саяно-Шушенского водохранилища при сниженном НПУ 532,8 м, 5,44 – на выработку электроэнергии, 9,24 + 4,1 = 13,34 — в водохранилище-регулятор верховья и 4,1 — в резервную емкость объемом 4,1, располагаемую между новым НПУ 532,8 м и ФПУ 540,0 м;

— (22,32 + 11,78) – объем притока воды в течение 153 – 30 = 123 суток;

— 22,32 = 2100 ? (153 – 30) ? 24 ? 60 – расход воды через турбины в течение 123 суток;

— 8,2 и 11,78 – объемы притока воды для заполнения и опорожнения резервной емкости водохранилища, равной 4,1 км³, соответственно при пропуске половодья и дождевых паводков 7,22 км³ в июле и 4,56 км³ августе. Объемы сброса рассчитаны пропорционально максимальным расходам притока воды 15200 м³/с в июле и 9600 м³/с в августе (таблица 2).

Заполнение и опорожнение резервной емкости должно происходить при сбросном расходе воды 7000 м³/с (2100 турбины и 4900- водосбросы). В этой же пропорции будут использоваться объемы притока воды 8,2 км³ при пропуске половодья, 7,22 км³ – при пропуске паводка в июле и 4,56 км³ – в августе, то есть (8,2 + 7,22 + 4,56): 7000 ? 2100 = 19,98: 7000 ? 2100 = 6,0 км³ – на выработку электроэнергии и 19,98 – 6,0 = 13,98 – холостой сброс воды.

В пределах сбросного расхода 7000 м³/с возможно увеличение расхода воды через турбины. В итоге максимальный расчетный объем холостого сброса воды при наличии водохранилища-регулятора стока окажется менее 13,98 км³, то есть окажется в 2 раза меньше, чем при отсутствии водохранилища-регулятора стока.

Например, средний расход притока воды с 01.10.2014 по 30.04.2015 составил 445 м³/с, следовательно, объем притока воды за 365-153 = 212 суток составил 445 ? 212 ? 24 ? 60 ? 60 = 5,68 км³. Примем эту величину для дальнейшего расчета.

Тогда объем воды для выработки электроэнергии после пропуска половодья и дождевых паводков W_и = 11,22 (основное водохранилище) + 13,34 (регулирующая емкость верховья) + (приток с площади водосбора за 365- 153 = 212 суток) 5,68 = 30,24 км³. Этого объема воды вполне достаточно для работы турбин до начала очередного половодья со средним расходом воды 1650 м³/с.

При пропуске притока ежегодной вероятностью превышения 0,1% резервная емкость водохранилища не заполняется. При пропуске притока ежегодной вероятностью превышения 0,01% + ? резервная емкость полностью заполняется и опоражнивается один раз в половодье в течение 8,2 ? 10⁹ : 7000 = 11,4 суток, частично заполняется и опоражнивается в июльский дождевой паводок в течение 7,22 ? 10⁹ : 7000 = 10 суток и частично заполняется и опоражнивается в августе в течение 4,56 ? 10⁹ : 7000 = 6,5 суток.

Как видно из расчетов, самый тяжелый случай пропуска половодья и дождевых паводков в створе Саяно-Шушенского гидроузла не выглядит фатальным.

При наличии водохранилища-регулятора стока емкостью 13,34 км³ в верховье в Туве:

— появляется возможность понизить нормальный подпорный уровень (НПУ) Саяно-Шушенского водохранилища до уровня 532,8 м;

— появляется возможность понизить вероятность перегрузки плотины и вероятность возбуждения автоколебаний потока воды в напорных системах;

— процесс регулирования стока на Енисее становится гарантированным и практически независимым от достоверности прогноза притока воды;

— полная гарантия гидрологической безопасности будет достигнута, прежде всего, за счет наличия резерва (холостого сброса воды в период заполнения полезной емкости) на непредвиденные обстоятельства;

— повышается эффективность использования водотока на выработку электроэнергии и мощности за счет отсутствия холостых сбросов при пропуске притока обеспеченностью до 1%, и за счет снижения в 1,5 — 2 раза объемов холостого сброса воды при пропуске притока вероятностью превышения менее 1%;

— исключается необходимость в создании дополнительного водосброса для Майнского гидроузла, в создании новых и реконструкции старых инженерных защитных сооружений в нижнем бьефе Майнского гидроузла;

— гидрологическая безопасность в нижнем бьефе Красноярского гидроузла будет обеспечиваться при сработке Красноярского водохранилища до уровня 230,0 м;

— создается возможность сохранять запас воды в водохранилищах на маловодный период.

Создание водохранилища-регулятора стока в Туве в итоге будет оправдано дополнительной выработкой электроэнергии на ГЭС енисейского каскада, в том числе в зимние периоды, созданием лучших условий для судоходства и водоснабжения, отказом выполнения больших объемов работ в нижних бьефах гидроузлов.

Потопа на Енисее нельзя избежать путем создания дополнительного водосброса на Майнском гидроузле. Также не следовало создавать дополнительный береговой водосброс для Саяно-Шушенского гидроузла.

Проблемы на Енисее можно решить только путем снижения сбросных расходов в нижние бьефы всех трех гидроузлов, то есть путем повышения равномерности притока воды в водохранилища в течение года.

Самым эффективным, быстрым и менее затратным для выравнивания стока является вариант создания водохранилища-регулятора стока без ГЭС в Сейбинском створе на Большом Енисее в Туве. В этом случае будет использоваться полная емкость водохранилища.

По этому створу в 70–е годы были выполнены изыскания, разрабатывалось проектное задание. Он был включен в перспективный план с началом строительства в 1975 году [2], стр. 264.

Если в дальнейшем потребуется понизить форсированный подпорный уровень (ФПУ) Саяно-Шушенского гидроузла ниже отметки 540,0 м, то необходимо будет построить Кызыльскую ГЭС.

Маловодье на Енисее обязательно сменится многоводным периодом, а к встрече с ним мы сегодня не готовы.

Литература:

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

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

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!"