автореферат диссертации по энергетике, 05.14.16, диссертация на тему:Регулирование паводков распределенной системой водохранилищ с учетом экологических факторов

На правах рукописи

/

МАКАРОВА Лариса ЮрьеЕна

РЕГУЛИРОВАНИЕ ПАВОДКОВ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СИСТЕМОЙ ВОДОХРАНИЛИЩ С УЧЕТОМ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

Специальность 05.14.16 - Технические средства и методы защиты окружающей среды.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени . кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена на кафедре "Экологические основы природопользования" Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Федоров М.П. Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор-Михалев М.А. Кандидат технических наук, доцент Арсенъев Г.С.

Ведущая организация: АО "Ленгидропроект".

Ззщита состоится а'УШ&г' 1996 г. в часоЕ на за-

седании диссертационного совета Д.063.38.09 при Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу:

195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, гидротехнический корпус, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

Автореферат разослан 1996 г. '

Ученый секретарь диссертационного совета

Орлов В.Т.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы.

Одной из важнейших задач, решаемых современной гидротехникой, является борьба с наводнениями. Несмотря на меры по инженерной защите, предпринятые в последние десятилетия, ущерб от наводнений во Есем мире достигает нескольких миллиардов долларов в год. Данные мировой статистики свидетельствуют о том, что по повторяемости, площади распространения, количеству человеческих жертв и суммарному годовому ущербу наводнения занимают одно из первых мест в ряду стихийных бедствий. Периодические наводнения сдерживают интенсификацию и вовлечение в оборот сельскохозяйственных угодий, что также должно быть отнесено к ущербу от наводнений. Так, на Дальнем Востоке по причине ежегодного затопления не используются 471 из 1.4 млн.га плодородных пойменных земель.

К сожалению, наводнения, как стихийное бедствие не могут быть целиком предотвращены везде и повсюду, их можно только ослабить и локализовать.

Для правильного выбора средств инженерной защты территорий от затопления и подтопления, под которой понимается комплекс инженерно-технических и организационно-хозяйственных мероприятий, обеспечивающих защиту объектов народного хозяйства и природной среды от наводнений, необходимо установление причин и Бремени проявления (продолжительности) затопления и подтопления. Целесообразность тек или иных способов и средств инженерной защиты зависит от причин возникновения затопления, народнохозяйственной значимости и функционального назначения защищаемой территории.

Наиболее эффективным средством борьбы с паводками во многих странах мира до настоящего времени остается регулирование стока крупными водохранилищами.

Тем не менее, создание крупных противопаводковых водохранилищ не может являться основным решением проблемы борьбы с наводнениями, поскольку у данного способа имеется ряд существенных недостатков, наиболее важные из них:

- значительные площади речного бассейна, расположенные Еыте зтвора основных сооружений, оказываются затопленными или подтопленными;

- остаются незащищенными верховые участки рек;

- негативные экологические последствия, связанные с большо площадью затопления (гибель сельскохозяйственных и лесных угодий нарушение равновесия жиеотного и растительного мира);

- экономический ущерб из-за исключения всзмозкности хозяйе. твенного освоения земель в зоне затопления водохранилища в перио, проховдения паводка.

Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования является разработка схемы оптимального регулирования паводковыю расходами, обеспечивающей максимальную защиту площади водосбора о^ затопления и подтопления и создание методики обоснования параметров и режимов работы специальных противопаводковых гидроузлов (ГУ) с учетом природоохранных требований.

Для достижения поставленной цели исследования автора были направлены на решение следующих задач:

1. Проведение сравнительного анализа различных схем регулирования паводковых расходов.

2. Разработка и основание экологически эффективной схемы регулирования системой временно-заполняемых водохранилищ.

3. Усовершенствование методики экологической экспертной оценки с целью выявления приоритетных факторов, влияющих на параметры противопаводкового ГУ.

4. Разработка алгоритма и программы обоснования параметров и режимов работы противопаводкового ГУ с учетом экологических факторов.

5. Апробация созданной методики на примере бассейна р.Селемд-

ш.

6. Практическое обоснование совместных режимов работы противопаводковых ГУ и ГЭС в бассейне р.Селемджи.

Исходные материалы и методика исследований. Для проведения исследования были использованы опыт строительства противопаводковых ГУ в Австрии, данные справочников и атласов Дальнего Востока, материалы проектных изысканий института Ленгидропроект, крупномасштабные карты, гидравлические и гидрологические справочники, методики водохозяйственных расчетов, разработанные Крицким С.Н., Менкелем М.Ф., Сванидзе Г.Г., Плешковым Я.Ф., Арсеньевым Г.С. и др., методические рекомендации по оценке воздействий гидротехнических сооружений на окружающую среду, базирующиеся на трудах Васильева Ю. С., Федорова М.П., Давелева Д.С., Авакяна A.B., Полюшки-

на A.A., Нежмховского P.A., Салтанкина В.П., Вендрова С.Л., Хриса-нова Н.И., Арефьева Н.В. и др.

Научная новизна диссертационной работы заключается в решении актуальной задачи прикладной экологии в области гидротехнического строительства, имеющей важное значение для хозяйственного освоения и снижения ущербов от наводнений территорий, расположенных в зонах повышенной водоопасности. Для этого:

- разработаны варианты схемы регулирования паводковых расходов системой водохранилищ, распределенной по водосбору, обеспечивающей диссипацию антропогенной нагрузки на экосистему водосбора;

- разработана методика обоснования параметров и режимов работы противопаводковых ГУ с временно-заполняемыми водохранилищами;

- разработана модель совместного регулирования паводковых расходов русловым гидроузлом с ГЭС и временно-заполняемыми водохранилищами .

Практическая значимость. Работа выполнялась в рамках программы "Экология России" и в соответствии с ваданием Щ "Каскад" государственного института "Оргзнергострой"(г.Москва).

Созданная методика может быть использована в проектных организациях системы Гидропроект при разработке мероприятий по борьбе с наводнениями, для планирования хозяйственной деятельности на водосборах и разработки "Схем комплексного использования еодных ресурсов речных бассейнов". Данная методика позволяет решать задачу борьбы с наводнениями, вызванных различными типами паводков.

Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 6 работ. Основные положения, изложенные в диссертации, доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции "Современные проблемы нетрадиционной энергетики" (СПб, 1994), на заседании секции водохранилищ по теме "Пути реконструкции экосистем водохранилищ и их улучшения в целях комплексного использования" ИБВВ РАН (Борок, 1995), на заседаниях кафедры экологических основ природопользования СПбГТУ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на /¿/с. машинописного текста, включает iA табл. и ЗЛ рис. Список использованной литературы содержит /// наименований.

- б -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении сформулирована актуальность работы, ее научная практическая значимость, определена цель исследования.

В первой главе дана классификация типов паводков и приведем зонирование районов России по степени паводкоопасности, прознал* зированы современные способы борьбы с наводнениями на реках, расе мотрена роль водохранилищ ГЭС в комплексном решении проблемы не воднений и экологические аспекты управления паводками.

Наводнения периодически происходят в большей или меньшей сте пени на большинстве рек России, при этом подтоплению или затопле кию подвергается большое количество городов, населенных пунктов промыиленных предприятий, сельскохозяйственных угодий с большим ущербами для народного хозяйства.

К известным на сегодняшний день инженерным мероприятиям отно сятся: регулирование стока специальными противопаводковыми водох раншшщами и водохранилищами комплексного назначения, обвалован» или подсыпка грунта на затопляемых территориях, применение водостойких материалов и специальных конструкций в строительстве промышленных и жилых сооружений в затопляемых зонах и т.д.

Специально для борьбы с наводнениями водохранилища создаюта крайне редко - это не оправдано экономически: затраты на созданш водохранилища намного превышают ущерб от затопления. Задача борьб! с наводнениями решается в комплексе с задачами гидроэнергетики, водного транспорта и других водопотребителей. Однако, как показа/, проведенный автором анализ 200 крупнейших отечественных и зарубежных водохранилищ ГЭС (более трети из которых используется для борьбы с наводнениями), наряду с положительным народнохозяйственным эффектом (выработкой электроэнергии, защитой территории от затоплений, ирригацией и т.д.) создание водохранилищ может вызывать и негативное изменение природных условий и процессов.

Во второй главе на основе анзлиза опыта борьбы с наводнениями, имеющегося в мировой практике, предложены новые подходы к каскадному освоению рек и регулированию паводковыми расходами, разработана схема регулирования стока распределенной системой водохранилищ (РСВ), проведен анализ воздействий временно-заполняемых водохранилищ на экосистему годосбора, предложено на стадии выполнения ТЭО использовать усовершенствованную методику экспертного ана-

__ г*)

( -

лиза.

Одним из новых подходов регулирования паводковых расходов при каскадном освоении рек низконапорными гидроузлами является использование дополнительных временно-заполняемых емкостей на боковых притоках для увеличения регулирующей способности водохранилищ такта гидроузлов .

В основу разработанной схемы регулирования стока распределенной системой водохранилищ положен принцип максимально возможной зашиты речного бассейна от затоплений, вызванных паводками, при минимизации воздействия водохранилищ на водосбор. В отличие от известных методов, новизна предлагаемой схемы в том, что впервые рассматривается комбинированное регулирование стока. Такая схема (рис.1) предусматривает сооружение на основной реке гидроузла с гидроэлектростанцией (каскада ГЭС), имеющего комплексное назначение (борьба с наводнениями + выработка электроэнергии), с минимальными подпорной отметкой и емкостью регулирования стока, при этом часть противопаводковой емкости размещается во Еременно-за-полняемых водохранилищах в верховьях реки и ее наиболее крупных боковых притоках. Частным случаем является регулирование паводков системы водохранилищ ("веерной" системой) без энергетического использования водотока. Наиболее эффективно применение рассмотренной схемы в случаях, когда значительная часть паводка формируется на боковых притоках.

Противопаводковый гидроузел (ППГУ) на притоке может быть выполнен с типовой компоновкой сооружений, в состав которой входят плотина и водопропускное сооружение. Особенностью создания водохранилищ на притоках является то, что они выполняются в виде временно заполняемых, саморегулирующихся емкостей. В межень эти водохранилища не создают подпора воды и не мешают свободному проходу рыбы. Ложе такого противопаводкового водохранилища затапливается кратковременно в период накопления и сработки паводковых еод сроком от нескольких суток до нескольких десятков, а в остальное время оно остается в естественном природном состоянии. Подобные противопаводковые емкости успешно применяются в Австрии, Франции и других странах. Опыт эксплуатации показал их высокую эффективность и надежность.

ППГУ могут оказывать негативное воздействие на природную среду, которое имеет специфику, обусловленную режимом их работы. В

- в -

а) русловая ГЭС расположена в нижнем течении;

в) каскад ГЭС ;

б) русловая ГЭС расположена верхнем течении

г) неэнергетическая ("веерная" схема.

Рис, 1. Схема комплексного использования водотока с распределенной системой водохранилищ.

1 - основной водоток; 2 - русловое водохранилище с ГЭС; 3 - боковые притоки; 4 - противопаводковые гидроузлы.

связи с этим возникает необходимость создания специальной методики по оценке экологических последствий при их сооружении.

В диссертации для определения основных экологических факторов, влияющих на параметры и режимы работы противопаводкового ГУ и их ранжирования была предложена усовершенствованная методика экспертного анализа. Ее отличием от методики, разработанной в СПбГТУ (Хрисановым Н.И. и др.), является учет компетентности эксперта, что обеспечивает повышение степени согласованности мнений специалистов и достоверности получаемых результатов,

В третьей главе разработаны зависимости определения объема противопаводковой емкости, размещаемой на боковых притоках, и методика обоснования параметров и режимов работы противопаводкового ГУ с учетом экологических факторов.

Основным принципом управления паводковыми расходами является ограничение сбросных расходов в НБ гидроузла с ГЭС, что обеспечивает непревышение максимального уровня воды в НБ с учетом экономических условий. Это достигается за счет аккумулирования паводковых вод в русловом водохранилище и ео временно-заполняемых противопаводковых водохранилищах на боковых притоках.

Объем стока в нижний бьеф определяется из уравнения водного баланса:

№нб = ± Щ - "«з (1)

где

У/1 - объем паводочного стока, притекающий к отбору ГЭС, обеспеченностью Р, м3 ;

Щ ~ сработка-наполнение противопаводковой емкости, м3;

Щ ~ потери на фильтрацию и испарение, ы3.

Максимальная величина дополнительной противопаводковой аккумулирующей емкости, размещаемая на боковых притоках, определяется из выражения:

тах " " «бок. = Щ - «1 (2)

* и

где Щ и - паводочный сток в створе ГЭС соответственно с учетом и без учета боковой приточности, м .

Данная емкость может размешаться как на одном притоке, так и

ка нескольких. Характер размещения зависит от экологических факторов, приоритетность которых определяется в каждом конкретном случае результатами экспертного анализа.

Противопаводковая емкость на боковом притоке (притоках) определяется из условий, согласно алгоритму (рис.2):

- снижение отметки ФПУ руслового водохранилища (уменьшение объема форсировки, снижение площади затопления земель в ВВ ГУ при аккумуляции паводка);

- уменьшение сбросных расходов в НЕ руслового гидроузла во время прохождения паводка.

Гидравлический расчет параметров и режимов работы ППГУ ведется для паводков обеспеченностью IX с использованием программы рго^гал)!. При гидравлическом расчете выполнялись условия максимальной срезки пика паводковых расходов.

Уточнение параметров и режимов работы ППГУ с учетом природоохранных требований осуществляется по алгоритму, представленному на рис.3. Ранжирование природных показателей осуществляется по усовершенствованной методике экспертного анализа, предложенной ь диссертационной работе.

Анализ схем размещения противопаводковых ГУ с временно-заполняемыми водохранилищами показал, что они, как правило, размещаются на верховых участках боковых притоков, являющихся малоосвоенными, залесенными территориями. Именно поэтому при проектировании таких ГУ крайне важно оценивать влияние кратковременного затопления на лесные биогеоценозы, а также поступление биогенных вещестЕ с затопленной территории в водоток. С этой целью в работе предлагается (в условиях недостаточности исходной информации) использовать разработанные на основе существующих методик и обработки эмпирических данных функциональные зависимости:

- для укрупненной оценки выживаемости лесных ценозов (древос-тоев) в результате кратковременного затопления ложа водохранилища;

- для оценки выноса биогенных элементов с кратковременно затапливаемой территории в водоток.

Оценка устойчивости растительных сообществ (древосгоев) к кратковременному затоплению производится по специально разработанной методике, базирующейся на определении средневзвешенной выживаемости древесных пород различных растительных ценозов, попадающих в зону кратковременного затопления.

Рис.2.

Алгоритм расчете совместной работы руслового ГУ с ГЭС и противопаводковых гидроузлов на боковых притоках.

Ввод исходной информации (гидрологическая, топографическая)

I

Ваод переменной

_БЕК™*_

I ,

Ваод параметров водопропускного сооружения

Расчет параметров и режимов работы противопаводкового гидроузла

Уточнение расчетных параметров и режимов работы противопаводкового гидроузла

Создание БД природных условии рассматриваемого объекта

Процедура экспертного опроса для

определения приоритетных _экологических факторов_

Создание экологических моделей, разработка методик

Расчетные параметры и режимы работы противопаводкового ГУ с учетом экологических факторов

Рис.3. Алгоритм выбора расчетных параметров и режимов раб| саморегулируемых противопаводковых гидроузлов с уче-экологических факторов.

В настоящее время для прогнозирования состояния лесов вследствие затопления возможно использовать только данные натурных наблюдений, приведенные в работах Бялловича Ю.П., Васильева Н.Г. и др.

Применение таких данных для оценки устойчивости дреЕостоев к затоплению в предполагаемом районе строительства противопаводкового ГУ требует подробной информации о структуре лесов (плотности насаждений, видовом разнообразии и т.д.). Такую информацию практически невозможно получить на стадии ТЭО, особенно для малоизученных районов. Поэтому автором предлагается использовать метод "агрегирования" лесных ценозов по типам с. использованием крупномасштабных геоботанических карт или планов лесоустройства.

На основе анализа имеющихся данных выполнена оценка устойчивости растительных ценозов различных типов к кратковременному затоплению (табл.).

Таблица

Оценка влияния затопления на растительные ценозы.

N п/п Вид расти тельных ценозов Период стояния воды, сутки

0-10 10-20 20-30 ■

1 Пойменные леса серьезных изменений не происходит дреЕостой поЕреж-ден, но частично сохраняется наблюдается сильное повреждение и гибель

2 Долинные леса серьезных изменений не происходит древостой поврежден , но частично сохраняется наблюдается сильное повреждение и гибель

3 Суходольные леса гибель древостоя возможна гибель древостоя гибель

В диссертационной работе для оценки выживаемости лесного ценоза определенного типа использовалась зависимость:

Щ = Г ( ЦСТД1), (3)

где tycт ~ предельная продолжительность затопления древесных пород без изменения их жизненного цикла, сут.; ti - продолжительность затопления 1-го ценоза, сут.

Продолжительность затопления определяется по графику Н=Г(1) (где Ь - продолжительность паводка, сут.) при заданном Н^ - нижней топографической границе растительного ценоза определенного типа.

Средневзвешенная выживаемость для всей затапливаемой территории определяется по формуле:

+ ¥'¿52 + ... + WiSi

у = - , (4)

+ Зо + ... +

где - выживаемость пород деревьев, составляющих растительный ценоз определенного типа;

Б^ - площадь растительного ценоза определенного типа, км".

Полученная расчетная выживаемость не должна превышать естественную, которая по данным натурных наблюдений составляет 0.65-0.79

Большую роль в формировании качества воды играют первичная продукция органических веществ, органические и биогенные вещества, поступающие в водоем из залитого ложа водохранилища при минерализации древесной, луговой, высшей водной растительности.

В соответствии с имеющимися рекомендациями оценка влияния затопленной растительности и почв на изменение качества воды производится для следующих основных органических и биогенных ингредиентов: Сорг, Морг, Ш4+, Р043~.

Полученные значения сравниваются с предельно-допустимыми, которые принимаются с учетом хозяйственного использования и освоенности речного бассейна. Например, для рек высшей рыбохозяйстгенной категории - это рыбохозяйственные ПДК.

Обоснование параметров 11ПГУ по другим экологическим факторам, определяемых по результатам экспертного опроса,должен производиться в каждом конкретном случае с учетом природных условий объекта.

В четвертой главе проведены апробация методики обоснования параметров и режимов работы противопаводковых ГУ с учетом экологических факторов, расчет режимов совместной работы Селемджинского ГУ с ГЭС и временно-заполняемых водохранилищ Норского ГУ, Высокого ГУ и Альдиконского ГУ; дана эколого-экономическая оценка эффективности применения схемы с распределенными функциями, рассмотрены прикладные аспекты применения данной схемы.

В данном разделе приводится краткая характеристика бассейна реки Селемджа и мероприятий по борьбе с наводнениями.

Для оценки приоритетности экологических факторов, влияющих на параметры П11ГУ, привлекалась группа специалистов-экспертов (гидро-

техников, гидроэнергетиков, географов, геологов, специалистов в области охраны окружающей среды) из НИИ, вузов, проектных и других организаций.

При срезке пика паводка 1% обеспеченности распределенной системой водохранилищ удалось снизить отметку Ф11У на 4 м по сравнению с вариантом аккумуляции паводковых расходов одним русловым водохранилищем (рис,4). Также было выявлено, что показатели энергоотдачи Селемджинской ГЭС при регулировании паводков распределенной системой водохранилищ соответствуют проектным.

ггг 2201

319 218 214 212 210

НВВБ, и

N 1

( V \

1 "ч. \

--

0 1 а г а з 0 40 50 £0

Изменение уровней руслового водохранилища комплексного ГУ (НПУ = 215.0): 1) регулирование одним русловым ■водохранилищем (ФПУ 221.0); 2) регулирование распределенной системой водохранилищ (ФПУ = 217.3).

1, су г.

Рис.4.

Предварительная эколого-экономическая оценка эффективности применения предложенной схемы производится на основе сопоставления площадей затопленных и освобождаемых земель в рассматриваемых вариантах.

Предпочтение отдается варианту, имеющему: Рзат т1п

(5)

Роев -» шах,

где Р8ат - площадь поврежденных лесных земель, определяемая с учетом выживаемости лесных ценозов.

Расчеты подтверждают эколого-экономическую обоснованность предложенного варианта регулирования стока.

В заключении сформулированы основные выводы, полученные в результате проведенных исследований, а также направления дальнейшей разработки темы.

Выводы по диссертационной работе:

1. Разработана схема регулирования паводковыми расходами, особенностью которой является приоритет экологических ограничений, которые формируются на этапе принятия предпроектных решений.

2. На основе экспертного анализа определен перечень экологических факторов для обоснования параметров и режимов работы специальных ППГУ с временно-заполняемыми водохранилища»®.

3. Разработаны алгоритм и программа обоснования параметров и режимов работы ППГУ с учетом экологических факторов.

4. Определены функциональные зависимости:

- выживаемости лес-кых ценозов (древостоев) от продолжительности затопления ложа водохранилища;

- концентраций биогенных элементов в НБ ППГУ от площади затапливаемой территории и продолжительности затопления.

5. Разработан алгоритм и программа совместного регулирования паводковых расходов русловым ГУ с ГЭС и системой временно-заполняемых водохранилищ.

6. Произведена апробация разработанной методики при расчете противопаводковых емкостей и параметров гидроузлов на боковых притоках Селемджинского противопаводкового комплекса с учетом природоохранных требований.

Основные публикации:

1. Макарова Л.Ю., Хлебников С.Н. Экологические факторы регулирования паводковых расходов // Международная научно-техническая конференция "Современные проблемы нетрадиционной энергетики". 1-2 декабря 1994г. Тезисы докладов. С.-Петербург, 1994.

2. Макарова Л.Ю., Хлебников С.Н. Создание малых ГЭС при противопаводковых гидроузлах // Международная научно-техническая конференция "Современные проблемы нетрадиционной энергетики". 1-2 декабря 1994г. Тезисы докладов. С.-Петербург, 1994.

3. Макарова Л.Ю., Масликов В.И. Экологические аспекты защиты территорий от наводнений / В сб. Проблемы безопасности труда, экологии и чрезвычайных ситуаций на железнодорожном транспорте (материалы Российской научной конференции, Новосибирск, 30 мая 1995).

4. Федоров М.П., Макарова Л.Ю. Использование современных программных средств в подготовке инженеров-экологов // III Международная научно-методическая конференция "Высокие интеллектуальные

технологии образования и науки". 1-2 февраля 1996 г. Тезисы докладов. С.-Петербург, 1996.

5. Макарова Л.Ю., Хлебников С.Н. Использование противопаводковых гидроузлов для энергоснабжения автономных потребителей / В сб. Нетрадиционная энергетика: ресурсы, техника, экономика, экология. СПб.: Из-во СПбГТУ, 1996.

6. Масликов В.И., Макарова Л.Ю., Хлебников С.Н. Экологические факторы регулирования паводковых расходов системой временно-заполняемых водохранилищ / В сб. Нетрадиционная энергетика: ресурсы, техника, экономика, экология. СПб.: Кз-ео СПОГТУ, 1996.