№ 4
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2013
УДК 621.22:627.81:502.5
© 2013 г. ФЕДОРОВ М.П., МАСЛИКОВ В.И.1
СНИЖЕНИЕ РИСКА НАВОДНЕНИЙ В РЕЧНОМ БАССЕЙНЕ РЕГУЛИРОВАНИЕМ ПАВОДКОВ РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ НА ВОДОСБОРЕ ГИДРОУЗЛАМИ
Рассмотрен способ снижения риска наводнений в речном бассейне путем регулирования паводковых расходов распределенной на водосборе системой водохранилищ при минимальном воздействии на природную среду. Система включает гидроузел с гидроэлектростанцией (каскад ГЭС) комплексного назначения (выработка электроэнергии, борьба с наводнениями) на основной реке с минимальными подпорной отметкой и емкостью регулирования максимального стока, а также противопаводковые гидроузлы в верховьях реки и на боковых притоках с временно заполняемыми саморегулирующимися водохранилищами, в которые перераспределяется противопаводковая емкость. Разработан алгоритм и программно реализованы математические модели режимов работы русловой ГЭС и противопаводковых гидроузлов на боковых притоках. Проведенные расчеты на примере р. Селемджи подтвердили эффективность и экологическую безопасность регулирования паводковых расходов распределенной на водосборе системой гидроузлов.
Среди опасных природных явлений наводнения по суммарному годовому ущербу занимают первое место. Катастрофические наводнения за последнее десятилетие неоднократно происходили в России, США, Германии, Италии, Китае, Вьетнаме и других странах. Множество городов и населенных пунктов России практически во всех регионах периодически подвергаются наводнениям. Среднемноголетние потери от наводнений в России составляют ~1,4 млрд. долл. [1]. Особенно тяжелые последствия вызывают ливневые наводнения. Главная опасность заключается в их внезапности и резком увеличении объема речного стока многократно превышающего объем весеннего половодья. Наводнения на реках Северного Кавказа, Дальнего Востока, вызванные ливневыми дождями, наносят огромный ущерб экономике регионов. По причине ежегодного затопления на Дальнем Востоке не используется около половины плодородных пойменных земель.
В России, как и в других странах мира, наиболее распространенным средством борьбы с наводнениями остается регулирование максимального речного стока водохранилищами гидроэлектростанций (ГЭС). В США примерно треть в суммарном полном объеме водохранилищ ГЭС составляют резервные противопаводковые емкости, используемые для сокращения пиков паводковых расходов. Как правило, такие водохранилища обеспечивают защиту земель от затопления преимущественно на низовых участках основной реки. Незащищенными остаются обширные зоны в верховьях и на боковых притоках рек. Их доля в общей площади затопления земель может составлять ~50%. Необходимость защиты земель в речном бассейне приобретает особое значение ввиду расселения населения и освоения новых территорий.
1Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (СПбГПУ).
Рис. 1. Схемы комплексного использования водотока (энергетика, борьба с наводнениями): 1 — основной водоток; 2 — русловое водохранилище с ГЭС; 3 — боковые притоки; 4 — противопаводковые гидроузлы. Традиционная схема: а — русловая ГЭС, расположенная в нижнем течении; б — каскад ГЭС. Распределенная на водосборе система водохранилищ: в — русловая ГЭС расположена в нижнем течении; г — каскад ГЭС; д — русловая ГЭС расположена в верхнем течении; е — неэнергетическая "веерная" схема
В настоящее время в гидростроительстве наблюдается тенденция к отказу от сооружения крупных ГЭС с водохранилищами большой емкости из-за необходимости отчуждения большой площади земель. Предпочтение отдается низконапорным ГЭС и их каскадам с небольшими регулирующими емкостями. Создание таких гидроузлов не вызывает значительных затоплений земель, существенных изменений природных условий, так как уровень воды верхнего бьефа водохранилища приближается к уровню максимального подъема воды в естественных условиях во время прохождения паводка. Основным недостатком низконапорных гидроузлов является относительно небольшой объем водохранилищ, ограничивающий их способность аккумулировать паводки.
В этих условиях целесообразно снижать риск наводнений путем регулирования паводковых расходов всего речного бассейна распределенной на водосборе системой водохранилищ при минимальном воздействии на природную среду. Такая система включает гидроузел с гидроэлектростанцией (каскад ГЭС) комплексного назначения (выработка электроэнергии, борьба с наводнениями) на основной реке с минимальными отметкой форсированного подпорного уровня воды и емкостью регулирования максимального стока, а также противопаводковые гидроузлы в верховьях реки и на боковых притоках с временно заполняемыми саморегулирующимися водохранилищами, в которые перераспределяется противопаводковая емкость (рис. 1). Это приведет к диссипации антропогенной нагрузки на водосборе и позволит защитить от затопления значительные площади земель за счет территориального распределения регулирующей противопаводковой емкости [2]. Водохранилище противопаводкового гидроузла используется только для сокращения паводковых расходов. Водопропускное сооружение гидроузла выполняется с нерегулируемым водосбросом без использования затво-
ров, что повышает надежность работы и удешевляет обслуживание. В период аккумулирования паводковых вод ложе водохранилища затапливается кратковременно (от нескольких часов и суток до нескольких десятков суток), а после самоопорожнения в остальное время (до следующего паводка) остается сухим в естественном состоянии. В межсезонный период гидроузел не создает подпора на реке и не мешает свободному проходу рыбы. Гидроузлы на боковых притоках могут оказаться крайне полезными для существующих водохранилищ ГЭС в случае увеличения водности реки при климатических изменениях, когда их форсированного объема окажется недостаточно для аккумулирования паводков.
Являясь частью формирующейся природно-технической системы, противопаводковые гидроузлы могут оказать определенное воздействие на окружающую среду, которое характеризуется кратковременностью, высокой скоростью процессов, нестабильностью и плохо прогнозируется. Возникает необходимость в разработке обобщенных показателей состояния экосистем при кратковременном затоплении ложа водохранилища для стадии предпроектного обоснования параметров противопаводкового гидроузла. Была выделена группа факторов, которые часто могут проявляться при функционировании водохранилищ с временно затапливаемым ложем: затопление древостоев, болот, изменение гидрологического режима, качества воды, нарушения миграции рыбы и др. Обоснование параметров и режимов работы противопаводковых узлов предлагается выполнять с использованием интегрального показателя экологической безопасности — допустимой площади кратковременного затопления земель в верхнем бьефе — -Рзахдоп, поскольку именно масштабы затопления земель определяют величину и характер изменения природной среды речного бассейна. Площадь затопления ^зат.доп определяется как наименьшая из площадей затопления, рассчитанных для каждого ;-го экологического фактора: ^зат.доп < ш1п(^затдоп[г]).
Разработаны варианты управления риском наводнений в речном бассейне и выбрана схема, включающая в себя русловое водохранилище с ГЭС в нижнем течении основной реки и противопаводковые гидроузлы на боковых притоках, расположенные выше створа ГЭС. Такая схема в наибольшей степени обеспечивает защиту низовых, наиболее ценных пойменных земель, и верховых участков водосбора. Для руслового гидроузла предусматривается выполнение требования непревышения максимальных расходов воды в нижнем бьефе: Qнб < 0шахдоп, а также непревышения в верхнем бьефе отметки форсированного подпорного уровня воды: zвб < £фпу. Для противопаводкового гидроузла в качестве ограничения приняты предельная отметка подъема уровня воды в его верхнем бьефе — zвб < zшax при допустимой площади затопления земель (^зат.доп) и предельная величина срезки паводка по условию охраны окружающей среды Qнб > Qоос. Таким образом, предложенный метод позволяет обосновывать природно-технические системы с ГЭС, обеспечивающие минимальный природный риск.
Рассмотренная схема регулирования паводков речного бассейна может стать эффективным решением проблемы наводнений в тех районах, где использование традиционных методов оказывается малоэффективным или не удовлетворяет экологическим требованиям. Характерным примером является бассейн р. Селемджи в Дальневосточном регионе, где отмечается одна из самых частых в России повторяемость катастрофических наводнений. Определяющими для данного бассейна являются ливневые паводки летнего периода, которые, как правило, значительно превышают весеннее половодье по объему. В проектных проработках борьбу с наводнениями в бассейне р. Селемджи планируется осуществить традиционным методом, предусматривающим создание на основной реке комплексного гидроузла с ГЭС с крупной противопаводковой аккумулирующей емкостью, требующей большого затопления земель. Альтернативным вариантом может стать создание руслового водохранилища ГЭС с минимально возможным форсированным объемом, снижение которого компенсируется созданием противопаводковых гидроузлов на боковых притоках. Как и в проектном варианте обеспечивается защита от наводнений низовьев реки, при этом снижается антропогенная
5000
4000
•3000
g
x
о «
Рч
2000
1000
4
(L f Г i" U Г* 1 ' \1
V* ! /""ч \ \
1
2
0 10 20 30 40 50 60
Дни
Рис. 2. Изменение расходов воды в нижнем бьефе Норского гидроузла: 1 — естественный приток 1% обеспеченности; 2 — водосброс через донные отверстия; 3 — поверхностный водосброс; 4 — естественный приток 1% обеспеченности; 5 — зарегулированный расход в нижнем бьефе
нагрузка в зоне ГЭС, расширяется защищенная территория в речном бассейне на боковых притоках и верховом участке, которая становится перспективной для хозяйственного освоения.
Был разработан алгоритм управления паводком на водосборе и программно реализованы математические модели режимов работы русловой Селемджинской ГЭС и противопавод
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.