Принцип регулирования стока и основные компоненты гидроузла

Регулирование стока водохранилищем состоит в управлении русловым стоком с целью изменить режим колебания расхода воды и колебаний её уровня в речной системе или на её отдельном участке. Это требуется для того, чтобы обеспечить водными ресурсами гидроэнергетику, муниципальное и промышленное водоснабжение, судоходство, орошение и другие отрасли водного хозяйства, для предотвращения наводнений в речных долинах. Принцип такого регулирования состоит в накоплении воды в созданном водохранилище в многоводный период и её планомерном расходовании в маловодье (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Типичный гидрограф реки с весенним половодьем и летнеосенними наводками (/) и заданный график использования воды на хозяйственные нужды и обеспечение экологического благополучия в речной системе (2). Над ним — объем аккумулированной воды в водохранилище (2), под ним — объем воды (4), расходуемой из водохранилища для устранения дефицита водных ресурсов в речной системе Чтобы создать водохранилище, сооружается гидроузел — совокупность нескольких гидротехнических сооружений. Их состав в каждом гидроузле определяется водохозяйственным назначением водохранилища и планируемым использованием его водных ресурсов. Наибольшее число гидротехнических сооружений строится на гидроузлах водохранилищ комплексного назначения, которые проектируются для эксплуатации многими отраслями водного хозяйства. На рис. 1.5 показана компоновка основных гидротехнических сооружений на Куйбышевском (Жигулевском) гидроузле в створе Волги у г. Тольятти.

Рис. 1.5. Схема гидроузла: 1 — нижний шлюз, 2 — бетонные водосливы, 3 — бетонные сооружения ГЭС, 4 — земляная плотина, 5 — верхний шлюз, 6 — порт, 7 — волнолом (Вечный двигатель…, 2007).

Правобережная бетонная часть плотины включает водосливы для сброса воды поверхностного слоя водохранилища. Они перекрываются затворами (прочными щитами различной конструкции). Глубинные водоводы приплотинной ГЭС оборудованы затворами, а также сороудерживающими решетками. По водоводам вода проходит в теле плотины к турбинам ГЭС и далее — в отводящий канал к речному руслу ниже плотины. Водосливная часть плотины предназначена для сброса воды из водохранилища, когда уровень воды в нем достаточно высокий, а её приток настолько велик, что может переполнить водоем. Перелив воды через плотину недопустим из-за угрозы се разрушения и катастрофического наводнения, поэтому излишки воды приходится сбрасывать через водосливы, осуществляя «холостой сброс» воды из водохранилища.

В центральной части гидроузла находится земляная плотина, при возведении которой нередко используются земснаряды, подающие пульпу, насыщенную речным аллювием из карьеров в приплотинном участке сооружаемого водохранилища. Такие плотины называют «намывными», в горах «каменно-набросными». Наиболее крупная из них — Нурекская на р. Вахш в Таджикистане высотой 300 м и длиной по гребню — 700 м. Но чаще высокие плотины в горных ущельях строят арочного типа из железобетона (в плане она подобна арке с вершиной, обращенной в сторону водохранилища, и основанием, упирающимся в скальные борта ущелья). Такова, например, плотина Саяно-Шушенского водохранилища высотой 234 м, длиной по гребню — 1066 м, ширина которого — 25 м.

В левобережной части гидроузла (рис. 1.5) находится шлюз, с помощью которого водный транспорт преодолевает плотину.

В данном случае это лестница из двух шлюзовых камер (двухкамерный шлюз) с разъездным бьефом. Каждая камера оборудована верховыми и низовыми воротами, которые открывают поочередно после наполнения водой камеры или ее опорожнения. В разъездном бьефе суда, идущие вверх по реке, ожидают своей очереди шлюзования. Навстречу шлюзуются суда, идущие вниз по реке и расходящиеся с ними в этом бьефе. Шлюзы могут быть однониточными, как на рис. 1.5, так и двухниточными (две параллельные лестницы шлюзовых камер, например, на Камском гидроузле) в зависимости от интенсивности судоходства. Если плотина — ниже 20 м, то бывает достаточно построить однокамерный шлюз. На крупнейшем в мире гидроузле Санься на р. Янцзы судоходство обеспечивается двумя нитками пятикамерных шлюзов и лифтом для подъема скоростных судов.

Приплотинный участок водохранилища (реже — всё водохранилище) называют верхним бьефом гидроузла, а расположенный ниже плотины участок речного русла и вспомогательных гидротехнических сооружений — нижним бьефом. Разность отметок уровня воды в верхнем и нижнем бьефах называют напором на плотину (турбину).

К вспомогательным сооружениям относятся волноломы и струенаправляющие стенки для защиты основных гидротехнических сооружений от волнения (в верхнем бьефе) и размывающего действия больших скоростей течения воды при попусках (в нижнем бьефе).

При проектировании водохранилища многовариантными расчётами определяются оптимальные высотные отметки (над уровнем моря) проектных уровней будущего водохранилища, которые после положительного решения экспертной комиссии утверждаются полномочным органом власти. Проектных уровней — три (рис. 1.6):

— нормальный подпорный уровень (НПУ), т. е. отметка, до которой наиболее выгодно наполнять водой ёмкость водохранилища с по;

Рис. 1.6. Проектные уровни водохранилищ различных морфогенетических классов: а — долинного; б — котловинного и в — долинно-котловинного. 1 — НПУ; 2- ФПУ; 3 — УПС; 4 — уровень воды в озере до сооружения плотины гидроузла зиций всех водопотребителей, обеспечивая при минимальном затоплении земель наибольший гидравлический напор на водозаборных устройствах ГЭС, наибольшие глубины на судоходных трассах в водохранилище при гарантированном расходе воды в нижнем бьефе гидроузла. Исходя из назначенной отметки НПУ, выполняются основные расчеты устойчивости сооружений гидроузла и предусматриваются необходимые запасы их надежности. Следовательно, НПУ — наиболее высокий уровень воды в водохранилище, который может неограниченно длительное время поддерживаться гидроузлом. Диспетчеры, управляющие работой гидроузла, всегда стремятся удержать колебания уровня в пределах нескольких сантиметров у отметки НПУ для достижения максимальной эффективности использования водных ресурсов. Они приступают к сработке из водохранилища запаса воды лишь для устранения дефицита водных ресурсов в нижнем бьефе, или для предотвращения вероятного переполнения водохранилища, а также при опорожнении полезного объёма водохранилища перед началом половодья;

• — форсированый проектный уровень (ФПУ) — это наивысший допустимый уровень водной поверхности в долинном водохранилище на незарегулированной реке. Повышение (форсирование) уровня воды разрешается лишь до ФПУ и на самое непродолжительное время, чтобы не нарушить устойчивость плотины и других сооружений гидроузла. Для каждого гидроузла рассчитывается статистическая вероятность достижения уровнем запроектированной отметки ФПУ: для крупнейших гидроузлов она принята равной 0,01%, а для небольших плотин — 1−5% обеспеченности. Поэтому, если из-за большого притока воды в водохранилище ее уровень начинает превышать НПУ, диспетчер обязан незамедлительно начать холостой сброс воды в нижний бьеф с таким расходом, чтобы возможно быстрее понизить уровень до отметки НПУ;
• — уровень проектной сработки (УПС) — это отметка, при понижении уровня воды до которой еще возможно выгодное в водохозяйственном и экологическом отношении использование водных ресурсов водохранилища. В водохранилищах приплотинных ГЭС величина наибольшей сработки (её иногда называют «высота призмы сработки»), равная разности отметок НПУ и УПС, не должна, как правило, превышать 1/3 напора на турбины при НПУ.

Нередко в справочных изданиях и других публикациях УПС называют уровнем мёртвого объёма (УМО). Заметим, что термином «мёртвый объём» специалисты водного хозяйства крайне неудачно с позиций экологии называют самую глубинную биологически активную часть экосистемы водохранилища, расположенную под уровнем наибольшего технически возможного опорожнения водохранилища, зависящего от конструкции глубинных водосбросных отверстий (Крицкий, Менкель, 1952). Чтобы сохранить привычную аббревиатуру, ныне некоторые гидротехники УМО расшифровывают как уровень минимального объема водохранилища, а НПУ — как «наивысший подпорный уровень», что противоречит понятию ФПУ.

По мере развития водного хозяйства проектные уровни в отдельных случаях изменяют для уже эксплуатирующихся водохранилищ на основе новых водохозяйственных и эколого-экономических расчетов.

Например, НПУ Камского водохранилища в 1960 г. повышен на 0,5 м, а НПУ Чебоксарского водохранилища принят на 5 м ниже, чем проектировался. Тем не менее, убедительно обосновать целесообразность изменения высотных отметок проектных уровней и, следовательно, всех морфометрических параметров уже давно созданного водохранилища крайне трудно.

За годы эксплуатации водоёма к колебаниям водной поверхности между отметками НПУ и УПС приспосабливаются население и разнообразные отрасли хозяйства региона, водные и береговые биоценозы, поэтому изменение этих отметок ведет к новым нарушениям природной среды и народного хозяйства вдоль всего побережья водохранилища.

Между НПУ и ФПУ расположен резервный объём (ёмкость) водохранилища, использовать который разрешается лишь временно для аккумуляции вод трудно предсказуемых пиков половодий и паводков, расход воды которых больше суммарной пропускной способности всех водосбросных устройств гидроузла.

Наиболее велика резервная емкость у водохранилищ, предназначенных для защиты пойменных земель от наводнений. Например, в Зейском водохранилище разница отметок ФПУ и НПУ составляет 7 м, а резервная емкость — более 17 км³ при полезной емкости 32 км³ и глубине водоёма при НПУ у гидроузла 93 м (высота бетонной плотины до 110 м).

Между НПУ и УПС расположен полезный объём (Ж_п), или ёмкость, водохранилища. В нём накапливают воду, используемую в водохозяйственных целях.

Величина W называется объём водохранилища, или его ёмкость, а иногда «полный объём». Она равна объёму воды, заполняющему ложе водохранилища до НПУ, и приводится в справочниках (в том числе и в табл. 1.4) как главный признак размера водохранилища, характеризующий максимальную величину накапливаемых в нем водных ресурсов. В отличие от водохранилищ, главным размерным признаком озёр принято считать площадь акватории, поскольку надёжность оценки объёма воды в них сильно зависит от качества промерных работ и батиметрической карты озёрной чаши.

Отношение кц = W_n/W — коэффициент использования ёмкости водохранилища.

Среди 320 водохозяйственно значимых водохранилищ России (с Ж >10 млн. м³) более 32% водоёмов обладает относительно большим полезным объёмом (Лгц >80%). Это, как правило, водохранилища среднего размера и глубокого сезонного или многолетнего регулирования стока в целях коммунального и промышленного водоснабжения, ирригации и рыбоводства, расположены в Подмосковье, на Урале, Дальнем Востоке. Многочисленны подобные им крупные ирригационные и рыбоводные пруды в южных районах европейской территории России и Западной Сибири.

Водохранилищ с А_и <10 % совсем немного — всего 5%. Это — преимущественно русловые водохранилища нижних ступеней каскадов на реках Кольского полуострова — Паз и Воронья (например, Серебрянское-2), на реках Северский Донец и Западный Маныч, превращённых в каскады водохранилищ, а также Карамышевское и Перервинское в г. Москве, Воронежское — в г. Воронеж, Усть-Илимское, заиленное Чирюртское на р. Сулак, Нижнекамское и Чебоксарское водохранилища, эксплуатируемые ныне при уровне на 3−5 м ниже проектировавшегося НПУ. Перечисленные водохранилища в течение всего водохозяйственного года имеют уровень воды близкий к НПУ, осуществляют либо суточное регулирование стока, либо работают в режиме транзитного пропуска расхода воды без какого-либо его регулирования.

Невелики относительные размеры полезного объёма (?_и = 12−35%) и крупнейших водохранилищ гидроэнергетических каскадов с зарегулированным притоком — Саратовского, Волгоградского, Горьковского, Братского, тогда как водохранилища — регуляторы стока в составе каскадов — имеют А'_и = 60−75% (Иваньковское, Рыбинское, Камское, Куйбышевское).