Автор: Бабкин Владимир Иннокентьевич
Гидрологическая безопасность гидроузла – это возможность без аварии справиться с пропуском катастрофического притока воды в водохранилище (притока выше принятого в расчете). Это возможность гарантированного санитарного, судоходного и других видов попусков воды в нижний бьеф. Это постоянное и неснижаемое наличие резерва безопасности на случаи аварии плотины, водосброса, ГЭС, нижнего бьефа и энергосистемы.
На равнинных реках с ограниченными возможностями по созданию водохранилищ большого объема, но допускающих большие сбросные расходы воды в нижние бьефы гидроузлов, основным резервом гидрологической безопасности является повышенный расход воды через водосбросные сооружения, турбины и нижний бьеф, а дополнительным - включение в работу всех турбин одновременно.
На горных реках, как правило, недопустимы большие сбросные расходы воды в нижние бьефы гидроузлов, но практически всегда существует возможность создания водохранилища (водохранилищ) большой емкости, достаточной для трансформации (снижения) максимального расчетного расхода притока воды в половодье и дождевые паводки до сбросного расхода, допустимого по условиям нижнего бьефа.
На горных реках основным резервом гидрологической безопасности при пропуске половодья является заблаговременное начало холостого сброса воды до заполнения полезного объема водохранилища, а дополнительным – кратковременное включение (начиная с использования основного резерва) в работу всех турбин одновременно с расходом воды в пределах допустимого сбросного расхода воды в нижний бьеф. Резервный объем водохранилища служит для пропуска дождевых паводков.
Расчеты гидрологической безопасности основываются на гидрологических данных притока воды редкой повторяемости. На практике такие события могут не случиться в течение жизни нескольких поколений людей, поэтому расчетам гидрологической безопасности не придается должного значения.
Водосбросы строятся для обеспечения гарантии гидрологической безопасности и рассчитываются с запасом пропускной способности. При пропуске половодий на горных реках они должны работать крайне редко, как правило, в годы редкой повторяемости притока воды, а при пропуске дождевых паводков только при заполненном полезном объеме водохранилища, если отсутствует достаточный резервный объем водохранилища, а приток выше расхода воды через турбины.
На практике холостые сбросы воды на горных реках при пропуске половодий и дождевых паводков повсеместно выполняются даже в маловодные годы, а в годы средней водности достигают размеров, которые могли быть только в годы редкой повторяемости притока воды. Причины можно выявить только путем анализа применяемой схемы регулирования.
Для анализа нынешнего состояния гидроузлов на Енисее в качестве расчетной схемы (расчетной математической модели, схемы замещения, расчетного гидрографа) будет использована идея Дмитрия Илларионовича Кочерина – основоположника российской гидрологии, который в двадцатые годы прошлого столетия предложил приравнять версию расчетного гидрографа половодья к площади треугольника (рисунок 1). Эта универсальная расчетная схема проста, наглядна и позволяет выполнять анализ гораздо лучше сложных математических вычислений и построений графиков.
Рисунок 1. Расчетная схема пропуска половодья Д.И.Кочерина, [1], стр.97
где: T – расчетная величина периода половодья, измеряемая длиной отрезка 0 – 5; Qмакс - максимальный расход притока воды; W - объем половодья, измеряемый площадью треугольника 012345; Qи – расход, используемый для энергетики; Wи – используемый объем воды (трапеция 0145), Qтр – максимальная величина расхода, на которую трансформируется (снижается) максимальный расход притока воды; Tтр – расчетный период заполнения объема водохранилища; Vтр,- объем водохранилища, измеряемый площадью треугольника 123; Vx – расчетный объем холостых сбросов воды, измеряемый площадью треугольника 134; Tx – расчетный период холостых сбросов воды, измеряемый длиной отрезка 1 – 4.
Пример частичного использования резерва безопасности в случае катастрофического притока воды или аварии показан в виде заштрихованных треугольников, равных по площади. С левой стороны рисунка показаны новые параметры в начале заблаговременного сброса воды. Расход воды через турбины Qи может быть увеличен за счет дополнительного резерва безопасности, то есть за счет включения в работу всех турбин до величины Qсбр.
По этой расчетной схеме расчет гидрологической безопасности следует считать правильным, если порожний полезный объем водохранилища (водохранилищ) достаточен для того, чтобы при гарантированном среднем расходе воды через турбины в течение всего периода половодья, водосброс и нижний бьеф не перегружались. Именно так должны рассчитываться максимальная пропускная способность водосброса и нижнего бьефа.
Анализ показывает, что полезный объем водохранилища становится оптимальным при его равенстве объему холостого сброса воды в половодье обеспеченностью 0,01% + Δ (площади треугольников 123 и 134 равны). Дальнейшее увеличение полезного объема позволяет понижать нормальный подпорный уровень (НПУ) или повышать уровень мертвого объема (УМО) без снижения гидрологической безопасности гидроузла.
По этой схеме при пропуске половодья сначала должен заполняться полезный объем водохранилища и только затем сбрасываться излишек объема притока воды. Сброс должен начинаться с максимума, на который рассчитан водосброс и нижний бьеф, а затем быстро снижаться до нуля.
Только в этом случае время заполнения полезного объема водохранилища и объем холостого сброса воды всегда будут соответствовать фактической обеспеченности притока воды, а резервный объем водохранилища сохранится для пропуска дождевого паводка.
При таком расчете полностью сохраняется резерв гидрологической безопасности на непредвиденные случаи, заключающийся в заблаговременном начале холостого сброса воды, и дополнительный резерв безопасности, связанный с кратковременным включением в работу всех турбин. В маловодные и средней водности половодья, которые чаще всего и наблюдаются на практике, отпадает необходимость сбрасывать воду мимо турбин.
В случае катастрофического притока воды в половодье (притока выше учтенного в расчете) вполне достаточно заблаговременно, ориентируясь на минимальное время заполнения полезного объема водохранилища, начать холостой сброс воды, то есть воспользоваться резервом гидрологической безопасности гидроузла.
В ходе использования основного резерва дополнительным резервом может служить кратковременное включение в работу всех турбин, поскольку в расчет был включен только гарантированный средний расход воды через турбины. В этих целях схема выдачи мощности ГЭС не должна зависеть от возможностей энергоемких производств, то есть схема обязана позволять выдачу всей установленной мощности ГЭС в энергосистему.
В случае аварии на плотине, водосбросе, ГЭС, в нижнем бьефе или энергосистеме, всегда можно временно воспользоваться резервом безопасности, то есть заблаговременно начать холостой сброс воды.
Резерв, использованный при пропуске катастрофического притока воды, автоматически восстанавливается после пропуска половодья, а временно использованную часть резерва безопасности обязаны оперативно восстановить.
Если расчетный параметр безопасности, сниженный в результате аварии, не удается восстановить, то его снижение может быть компенсировано только путем создания в верховье емкости (водохранилища) соответствующего объема с ГЭС.
В настоящее время для пропуска расходов воды в половодье применяются эксплуатационные водосбросы, глубинные водосбросы и турбинные расходы, береговые водосбросы. А в период дождевых паводков в основном применяются холостые сбросы воды через эксплуатационные водосбросы.
В целом такой комплекс сооружений, устройств и примененный подход холостых сбросов способны решать проблему пропуска «больших вод». Но для обеспечения гидрологической безопасности и безопасности населения и инфраструктуры необходимо располагать надежными знаниями о притоках воды обеспеченностью их вероятности реализации не ниже 0,01%. Регулирование стока по графику года средней водности не гарантирует гидрологическую безопасность не только конкретного гидроузла, но и других гидроузлов, расположенных в составе каскада. Например, каскад: Саяно-Шушенская ГЭС, Майнская ГЭС и Красноярская ГЭС. При пропуске расходов вод в половодье или в дождевые паводки под угрозой затопления верхние и нижние бьефы этих гидроузлов. Этот вывод может быть подтвержден данными из источников ([1] (стр.18), [2] (стр.16,17), [3] (стр.147)).
На практике наиболее часто используются холостые сбросы воды. Чем опасно использование такого подхода:
- холостой сброс воды является основным резервом гидрологической безопасности на случай пропуска катастрофического притока воды (притока выше принятого в расчетах) и на случаи временной компенсации расчетного параметра, сниженного в результате аварии;
- создание сложных условий в нижнем бьефе и работе гидроагрегатов;
- высокий износ сооружений в нижнем бьефе, возникновение воронок размыва, способных привести к снижению устойчивости гидротехнических сооружений.
Перерасчеты гидрологической безопасности выполняются в последнее время на каскадах гидроузлов исключительно за счет все большей заблаговременности начала холостого сброса воды с максимально возможным для водосбросов расходом воды, то есть за счет использования резерва безопасности гидроузла.
С учетом того, что осуществляются заблаговременные холостые сбросы воды, в основном через водосливную плотину, береговые водосбросы не могут работать по назначению.
На практике при расчетах сбросов воды в половодье в учет принимаются расходы воды через турбины. Однако расход воды через турбины включать в расчет нельзя, поскольку при остановке всех турбин компенсировать снижение расхода воды не представляется возможным из-за отсутствия резерва безопасности. Следовательно, требуется назначать начало холостого сброса воды задолго до начала заполнения полезного объема водохранилища.
Но в годы с повышенным летним дождевым стоком вообще трудно выявить максимальный уровень весеннего половодья.
Вероятность формирования притока 0,01% обеспеченности и вероятность точного определения момента начала холостого сброса равны 0,0001. Задержка начала холостого сброса воды неминуемо ведет к еще большей перегрузке всех сооружений гидроузла и его нижнего бьефа.
Дождевые паводки трудно прогнозировать ни по объёму воды, ни по времени его реализации. Всегда считали главной проблемой пропуск неожиданного дождевого паводка, но не половодья. Тогда как именно при пропуске половодья выполняется регулирование скорости наполнения водохранилища и создается запас порожней емкости для пропуска дождевого паводка.
Нередко при полном заполнении полезного объема водохранилища при дождевом паводке создаётся ситуация вынужденного транзита притока воды в нижний бьеф. Такая ситуация представляется небезопасной, чреватой непредсказуемыми последствиями.
Необходимо отметить, что подобная схема регулирования внедрена на ряде рек: на Енисее, Зеи, Бурее, Оби и планируется на других подобных реках. Не обеспечивается и полностью расходуется резерв гидрологической безопасности и безопасности гидроузла в целом.
Например, в условиях неизвестности будущего гидрографа на Енисее обеспечение гарантии гидрологической безопасности возможно только при ежегодном регулировании по графику года с максимальным расчетным притоком воды в водохранилище, но никак не по графику года средней водности.
Создание на реках регулирующих емкостей, в которых аккумулируются резервы водных запасов [4], позволит:
- перейти к схеме регулирования со своевременным началом холостого сброса воды после заполнения объема водохранилища;
- полностью восстановить ранее использованный резерв гидрологической безопасности;
- обеспечить эффективное регулирование скорости наполнения водохранилища;
- снизить максимальный сбросной расход воды в нижний бьеф до допустимой величины с использованием водопропускных способностей турбин, берегового водосброса, эксплуатируемого водосброса;
- использовать береговой водосброс при пропуске половодий;
- включать в расчет гидрологической безопасности максимально возможную гарантированную величину расхода воды через турбины;
- получить дополнительный резерв гидрологической безопасности за счет кратковременной одновременной работы всех турбин (если будут созданы условия для выдачи всей установленной мощности ГЭС в энергосистему и Единую энергетическую систему (ЕЭС));
- увеличить выработку электроэнергии на всех енисейских ГЭС, в том числе в зимний период времени;
- гарантировать гидрологическую безопасность на Енисее населению и инфраструктуре, а также не допустить возникновение нештатных режимов на гидроагрегатах.
В [4] предлагается расчетная схема пропуска половодья после создания регулирующих емкостей и восстановления Саяно-Шушенской ГЭС.
На создание полноценных водохранилищ с ГЭС необходимо не менее 7-10 лет. Именно поэтому целесообразно на первом этапе построить регулирующие емкости, то есть водохранилища с их полным ежегодным наполнением и опорожнением без ГЭС и схем выдачи мощности ГЭС, но с плотинами, оборудованными донными и поверхностными водосбросами. Турбинные водоводы будущих ГЭС могут быть выполнены и временно использованы для сброса воды.
Например, целесообразно создание регулирующих емкостей на Большом Енисее в створе будущего Сейбинского гидроузла и в створе Буренского гидроузла на Малом Енисее.
Создание регулирующих емкостей позволит перейти к схеме регулирования, которая за счет использования резерва безопасности гарантирует гидрологическую безопасность. Например, на Енисее даже при катастрофическом притоке воды в Саяно-Шушенское водохранилище гидрологическая безопасность будет обеспечена, если заработает система регулирования по Д.И. Кучерину и буду созданы и использоваться регулирующие емкости.
Регулирующие емкости предлагается создать исключительно с целью сокращения объемов строительно-монтажных работ для начала регулирования стока. Но в перспективе, на их базе целесообразно создание гидроэлектростанций, а также малых ГЭС на притоках. Это вполне соответствует перспективе развития электроэнергетики в Российской Федерации.
Вывод: при использовании схемы регулирования с использованием регулирующих емкостей нет необходимости знать прогноз притока воды в половодье, поскольку гидрологическая безопасность гарантируется даже при пропуске катастрофического притока воды за счет использования резерва безопасности гидроузла. Безаварийный пропуск половодья при наличии резервной емкости водохранилища является гарантией безаварийного пропуска дождевых паводков, прогнозы которых имеют низкую достоверность.
Литература
[1] Под редакцией Д.С. Щавелева, “Использование водной энергии”, Энергия, Ленинград, 1976г.
[2] Ефименко А. И., Рубинштейн Г. Л. Водосбросные сооружения Саяно-Шушенской ГЭС. — СПб: Издательство ОАО «ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева», 2008
[3] В.И.Брызгалов Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций. Сибирский издательский дом ”Суриков”, Красноярск, 1999.
[4] В.И.Бабкин “О проектировании, строительстве и эксплуатации гидроузлов на Енисее. Расчеты гидрологической безопасности гидроузлов”, Москва, 2000 год.
* Немного об авторе: Бабкин Владимир Иннокентьевич (годы жизни 1937-2014). Инженер–гидроэнергетик, с 1962 года по 2001 год активный участник создания и эксплуатации Красноярской ГЭС и Саяно-Шушенского гидроэнергокомплекса. С 1 января 1978 года по 28 сентября 2001 года Бабкин В.И. работал заместителем генерального директора Саяно-Шушенской ГЭС.
Внес значительный вклад в освоение и доводку уникальных гидротехнических сооружений на р. Енисей. Автор работ по гидрологической безопасности на основе расчетов безопасного пропуска половодий и дождевых паводков через гидроузлы. Соответствующие предложения по обеспечению надежной и безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений енисейских гидростанций Бабкин В.И. в 2000-2010г.г. неоднократно направлял Президенту и Правительству Российской Федерации, Правительству Республики Хакасия, научно-исследовательским и проектным институтам, министерствам и ведомствам.
** Информация из СМИ
Саяно-Шушенская ГЭС: момент истины
Сегодня, 1 июня 2012 года, участник создания и эксплуатации всех гидроузлов на Енисее, бывший заместитель генерального директора Саяно-Шушенской ГЭС (с 1978 по 2001 годы) Владимир Иннокентьевич Бабкин отмечает своеобразный юбилей — 50 лет с гидроэнергетикой. Очередная статья ветерана, написанная специально для "Плотина.Нет!", снова поднимает вопрос безопасности Саяно-Шушенского гидроузла:
Пресс-служба “РусГидро” опубликовала видеофильм “Специалисты о безопасности Саяно-Шушенской ГЭС. Пропуск половодий и паводков”, основной смысл которого заключается в том, что безопасный для сооружения пропуск расходов притока воды обеспеченностью 0,01% с гарантийной поправкой надежно гарантируется без перелива воды через гребень плотины благодаря аккумуляции в водохранилище 14,7 км3 воды и возможности гидроузла пропускать более 19190 м3/с через два водосброса и турбины Саяно-Шушенской ГЭС.
***Труды Владимира Иннокентьевича Бабкина.
В средствах массовой информации о Бабкине В.И. можно найти следующие высказывания.
«Прекрасный специалист (гидростроитель Красноярскгидростроя) и очень не равнодушный и молодой душой (несмотря на свои 74 года). Владимир Иннокентьевич Бабкин написал ряд работ, посвященных безопасности гидросооружений и особенно гидросооружений на р. Енисей. Основная мысль, которую необходимо усвоить из его работ проста, но принять ее не просто.».
«В работах кратко изложена методология расчетов, так что не много потрудившись можно разобраться любому человеку даже без высшего образования.».
«Особая ценность работ Владимира Иннокентьевича заключается в том, что он предлагает по каждой ситуации разумный и конкретный выход из положения, без истерик в стиле «Рубить плотину!».
В.И. Бабкин: Теоретические основы регулирования речного стока воды.
В.И. Бабкин: Схема расчета пропуска паводков Д. И. Кочерина.
Бабкин В.И.: Схема регулирования пропуска половодий согласно СНиП и схеме треугольника Д.И. Кочерина.
Бабкин В.И.: Схема замещения уравновешенной системы в виде квадрата для расчета прохождения паводков.
В.И. Бабкин: О проектировании гидроузлов с учетом правила освоения реки с ее верховий.
В.И. Бабкин: Фактически применяемая схема регулирования для Саяно-Шушенского, Красноярского и Зейского гидроузлов.
В.И. Бабкин: Гидроузел СШ ГЭС, предварительный расчет.
В.И. Бабкин: Анализ нынешнего состояния Саяно-Шушенского гидрологического узла.
В.И. Бабкин: О ныне действующем Саяно-Шушенском водосбросе с глубинным водозабором.
В.И. Бабкин: О проектировании водохранилищ-регуляторов в бассейне реки Енисей.
О регулировании речного стока в XXI веке
Бабкин Владимир Иннокентьевич
Триумф Triumph www.triumph.ru - Всего страниц: 216
В книге на основе анализа современных подходов к регулированию речного стока, действующих нормативов проектирования гидроузлов с гидроэлектростанциями (ГЭС) и причин катастрофы Саяно-Шушенской ГЭС предлагается комплекс мероприятий по повышению безопасности функционирования современных ГЭС.
**** О монографии (осталась неопубликованной)
Уважаемая Инна Васильевна! (это из обращения к Калиберда И.В.) Прошу Вас рассмотреть мою монографию и дать заключение для её публикации. Я написал два варианта положительного отзыва. Но это вовсе не означает, что Вы не станете критиковать мою работу. Наоборот, мне очень важно знать, в чем я ошибаюсь и в чем я не прав. Если у Вас сейчас нет свободного времени, то я подожду.
Желаю Вам всего самого наилучшего. Бабкин В.И., 03.04.2013
