Гидроузлы. 
Характеристика и виды гидротехнических сооружений

Гидроузел энергетического назначения на равнинной реке включает гидроэлектростанцию. Для того чтобы турбины гидроэлектростанции работали, требуются не только непрерывный расход воды, но и напор — разность уровней между верхним и нижним бьефами, т. е. участками реки выше и ниже гидроэлектростанции по течению. Напор концентрируется в удобном для использования месте в результате возведения плотины или другого водоподпорного сооружения и наполнения водохранилища. Эти два элемента являются важными составными частями гидроузла. Водохранилище необходимо также для регулирования неравномерного стока реки, приведения его в соответствие с водопотреблением, т. е. в данном случае с графиком электрической нагрузки гидроэлектростанции. Гидроэлектростанции на многоводных равнинных реках располагаются в их русле и носят названия или русловых низконапорных, или приплотинных, если напор достаточно большой.

Поскольку аккумулировать в водохранилище редкие многоводные паводки экономически нецелесообразно и поскольку потребление электрической энергии, т. е. использование запаса воды, может вследствие аварии прерваться, в составе гидроузла должен быть водосброс для пропуска воды из верхнего бьефа в нижний помимо турбин во избежание переполнения водохранилища и перелива воды через плотину с вытекающими разрушительными последствиями. Пропуск воды в нижний бьеф помимо турбин в случае остановки агрегатов гидроэлектростанции может быть необходим также и при ненаполненном водохранилище, если без поступления этой воды потерпят ущерб расположенные ниже по реке водопользователи — гидроэлектростанции, водный транспорт, оросительные системы и т. д. Для решения этой задачи в составе гидроузла строят водопропускные сооружения с глубинными отверстиями — водовыпуски.

Пропуск воды в нижний бьеф может понадобиться также с целью опорожнения водохранилища для осмотра и ремонта сооружений гидроузла. Тогда в его составе должны быть предусмотрены водоспуски с глубинными или донными отверстиями. Чтобы подать большое количество воды по основному назначению — к турбинам гидроэлектростанции, очистив ее от опасных включений — льда, шуги, наносов, сора и т. п., необходимы специальные сооружения — водоприемники.

Гидроэлектростанция может быть расположена на горной реке не у плотины, а ниже по течению на берегу; вода к ней подводится от водоприемника специальным водоводом и отводится от нее в реку тоже специальным водоводом, которые в совокупности называют деривацией, а порознь — подводящей и отводящей деривациями. Цель устройства деривации та же, что и постройка плотины, концентрация напора для удобного его использования. В горных реках вода ниспадает с большим уклоном поверхности, рассеивая свою потенциальную энергию. Проложенный по берегу с минимальным уклоном канал подводит воду к гидроэлектростанции с уровнем поверхности, мало отличающимся от уровня верхнего бьефа.

В результате станция использует больший напор, падение большего участка реки не только благодаря подпору плотины, но и за счет разности уклонов реки и канала. Аналогична роль отводящей деривации; уровень воды в ней мало отличается от уровня воды в реке в конце деривации, так что в начале отводящей деривации у гидроэлектростанции уровень оказывается ниже, чем рядом в параллельно текущей реке. Так, станция приобретает еще больший напор, используя падение дополнительного участка реки. Деривационные гидроузлы имеют большое протяжение, поэтому в их составе выделяют головной узел с плотиной, водосбросом и водоприемником, станционный узел с напорным бассейном, завершающим подводящую деривацию, трубопроводами, подводящими воду к турбинам, и зданием гидроэлектростанции и упомянутые ранее элементы деривации.

На рис. 3 изображена гидроэлектростанция с коротким деривационным каналом на горной реке. В составе головного узла — бетонная водосливная плотина, водоприемник с отстойником для наносов. В составе станционного узла — напорный бассейн и холостой водосброс. На рис. 9 изображена, частично в разрезе, подземная гидроэлектростанция с туннельной деривацией. Видны высокая водосливная плотина, глубинный водоприемник, а также уравнительный резервуар в конце напорной подводящей части деривации.

Рис. 3. Гидроэлектростанция с деривационным каналом

В составе гидроузла при наличии плотины должны быть водосбросы, а также водовыпуски, необходимые судоходству. Обе эти функции часто совмещаются в одном сооружении. Вследствие постройки плотины между бьефами возникает перепад (разность уровней), для преодоления которого судам как идущим вверх по течению, так и спускающимся вниз необходимы судопропускные сооружения (шлюзы, судоподъемники. Часто рядом с гидроузлом строят порт с защищенной от штормовых волн акваторией, причалами, затоном для зимовки судов.

Подходные каналы к судопропускному сооружению, верховой и низовой, образуют своего рода деривацию, по которой идут суда, но течет мало воды, только для наполнения и опорожнения камеры шлюза в процессе шлюзования судов. Иногда эти каналы приобретают значительную длину, если необходимо миновать неудобный для судоходства участок реки — спрямить крутую излучину, обойти пороги. Каналы большой протяженности с многими шлюзами соединяют разные реки между собой.

Использование водных ресурсов для орошения сельскохозяйственных земель и обводнения засушливых территорий требует возведения своих комплексов гидротехнических сооружений, предъявляет свои требования к регулированию стока реки. Площадь орошаемых земель обычно очень велика, а расположенные на ней гидротехнические сооружения столь многочисленны, что комплекс их нельзя назвать гидроузлом, их называют оросительной системой. Часть сооружений, компактно расположенная на используемой реке, в составе плотины, образующей водохранилище для регулирования стока реки, водосброса для пропуска паводка, водоприемника и отстойника для осаждения наносов из воды, взятой на орошение, называется головным узлом оросительной системы.

От головного узла к орошаемым землям вода подается магистральным водоводом, чаще всего каналом. Его длина измеряется десятками и сотнями километров, по пути от него ответвляются распределители, от них — оросители. Неиспользованные остатки воды с полей собираются коллекторам и отводятся в водоток. Если часть орошаемых земель расположена выше уровня воды в магистральном канале, вода для этих земель подается насосными станциями. На самой оросительной сети располагаются регуляторы, перепады, сбросные сооружения и т. д.

Осушительные системы в районах избыточного увлажнения земель, распространения болот, естественно, не требуют возведения плотин. В комплекс сооружений этих систем входят дренажи, малые и большие каналы, различные сооружения на осушительной сети; выполняются выправительные работы на водотоках (спрямление, расчистка, углубление, береговые дамбы). Осушительная система может быть самотечной, однако, если рельеф территории слишком ровный, могут потребоваться насосные станции на сети и для перекачки воды в водоток.

Весьма сложны и разнообразны комплексные системы водоснабжения — водоотведения (канализации). Разнообразие зависит в основном от вида водопотребителя — коммунально-бытовое или промышленное водоснабжение. Для многих отраслей промышленности требуется непрерывная подача больших масс воды, к ним относятся, например, целлюлозно-бумажная, металлургическая, химическая, тепловые (и атомные) электростанции (для охлаждения конденсаторов). Прежде чем оставшаяся часть этой воды, измененная в своем качестве (сточные воды), будет сброшена в водоток или возвращена на производство (оборотное водоснабжение), она должна быть очищена, обеззаражена, охлаждена и т. п. В состав комплексной системы водоснабжения-водоотведения, кроме головного узла сооружений на реке и сети водоводов у потребителя, входят насосные станции и система очистки воды, забираемой из водотока, а также более сложная система очистки воды, отводимой от потребителя.