автореферат диссертации по энергетике, 05.14.10, диссертация на тему:Теория и методы водохозяйственных расчетов гидроэнергетических установок с учетом природоохранных мероприятий

РГВ од

1 3 1М

На правах рукописи

АРСЕНЬЕВ Герман Семенович

ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАСЧЕТОВ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК С УЧЕТОМ ПРИРОДООХРАННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ

Специальность 05.14.10 - гидроэлектростанции и гидроэнергетические установки

Автореферат дисергации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург. 1997

Работа выполнена к Российском государственно*' гк^о^стсоролоп'чееком ччстч'г-дт

;.!фин«альные -'чпюнекты:

- доктор технических наук

- доктор ТСЧН«Ч£СКПХ наук

- доктор технических наук, профессор

В.С.Щарь1гин Л.п.Асарик А .В.РсогД ествгнскчч

Несшая оргакизат.шт:

А/0 Л енгндропрс-ск

Защита состоится "20" мая }997 г. в часов кз "асгяат дгссгртаиионного Совета Д ,063.38.09 в Санкт-Пстербургскс техническом университете по адрес;-"

> 9525!. Санкт-11гтероург, Политгхннчеа?ая,29, СИбГТУ. припройча гидрогорпуеу. ауд.4! 1.

С п.;;ссертац!;ей можно о?ксхом;гп>сч ь гс.кс С По? "ГУ.

Аг^ырь; ка автореферат к двух те^ере'мые печать!

крогим напргвдать ка имя Учгногс секретаря диссертационного Сог;с т;о укатаоточр* адресу.

Автореферат разослан К" апреля 199"'г.

Ученый секретаре диссертационного

Сок ста .кандидат технических наук, профессор В.Т.Орло

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.В современных условиях, тогда ставится вопрос о резком сокращении вредных выбросов в атмосферу, значительное внимание в мире привлечено к строительству гидроэнергетических установок, в частности гидроэлектростанций (ГЭС).

ГЭС характеризуются рядом эколого-экономических и технических преимуществ по сравнению с другими источниками энергии: постоянной возобновляемостью энергоресурсов, более низкой себестоимостью вырабатываемой энергии; высокой маневренностью, отсутствием выбросов и сбросов вредных веществ в окружающую среду. Использование водной энергии на ГЭС невозможно без создания напорных сооружений и водохранилищ.

Создание водохранилищ, регулирование ими речного стока способствует более полному его использованию в интересах различных отраслей хозяйства. В то же время создание и эксплуатация водохранилищ в составе энерговодохозяйственных систем (ЭВХС) вызывает ряд негативных и, как праило, неизбежных нарушений в природе и хозяйстве.Наиболее ощутимыми и заметными из них являются затопления и подтопления земель, переформирование берегов, изменение микроклимата и др.

Сложнее стало решать вопросы ликвидации или смягчения неблагоприятного воздействия регулирования стока водохранилищами на природу и хозяйство нижних бьефов ГЭС. Эти трудности вызваны прежде всего отсутствием методологии и жестко нормированных требований окружающей среды к режим}' водных объектов, критериев допустимости того или иного воздействия на природные комплексы, а также методов научно-обоснованной экономической оценки ущерба от недодачи воды отдельным участникам энерговодохозяйственных

комплексов. Осуществляемые в настоящее время специализированные, природоохранные, в том числе и санитарные, попуски из водохранилищ требуют существенной доработки.

Из-за сброса осветленных вод, значительных суточных колебании уровней и стихийных изъятий грунта из русла рек на протяжении нижних бьефов ГЭС наблюдаются размывы русла и, как следствие, - "посадка" уровнен воды. Это приводит к ухудшению работы городских водозаборов и водного транспорта. Для их бесперебойной работы требуется увеличение, против установленных в проекте, расходов воды, подаваемых в нижние бьефы. Это, в свою очередь, вызываает перераспределение водных ресурсов между водопользователями и снижение запланированного в проекте эффекта энерговодохозяйственного комплекса.

Разработанные к настоящему времени методические подходы и инженерные приемы расчетов основных параметров водохранилищ и ГЭС не в полной мере учитывают возможные и наблюдаемые изменения на протяжении бьефов гидроузлов.

Большая часть приемов водохозяйственных расчетов ориентирована на первоочередные (одиночные) гидроузлы. Значительно меньше исследованы вопросы каскадного регулирования стока и управления их водными ресурсами.

Этим определяется актуальность научных исследований по гидролого-экологическому и водохозяйственному обоснованию проектов как отдельных гидроузлов, так и их каскадов, для совершенствования правил использования водных ресурсов водохранилищ ГЭС, работающих в составе ЭВХС.

Цель и задачи работы. Целью исследований являлась разработка методов и инженерных приемов управления речным стоком в интересах народного хозяйства.

Тематика исследований для достижения этой цели включает

следующие аспекты теории управления речным стоком, которые и

выносятся на защиту:

• обобщение разработанных исследователями методов водохозяйственных расчетов и практических приемов управления водными ресурсами водохранилищ гидроэлектростанций, их достоинство и недостатки в плане современных требований по охране окружающей среды;

• влияние экологических (.минимальных) попусков в нижние бьефы гидроузлов на одну из важнейших отраслей народного хозяйства -гидроэнергетику. Рекомендации по их установлению в проектах ГЭС на современном уровне;

• оценка изменении водного режима пойм в нижних бьефах комплексных гидроузлов с целью выявления причин снижения их продуктивности;

• методы и инженерные приемы оценки увеличения суммарной гарантированной водо- и энергоотдачи каскадов гидроузлов, водохозяйственных и энергетических объединений;

• методика расчета и построения диспетчерских графиков управления работой водохранилищ-компенсаторов при организации и проведении компенсирующего регулирования отдачи в условиях развития каскадов гидроузлов как связанных гидравлически, так и не связанных гидравлически;

• методика определения величин попусков из водохранилищ по схеме компенсирующего регулирования рассредоточенной и н (.-зарегулированной боковой приточности между расчетными створами;

• совершенствование правил использования водных ресурсов водохранилищ гидроэлектростанций комплексного назначения.

Научная новизна исследований и подученных результатов. Результаты научных исследований, представляемые к защите, являются теоретическим обобщением многолетней работы автора в области гидролого-водохозяйственного и водноэнергетического обоснования проектов строительства и эксплуатации ЭВХС. Комплекс разработанных атором методов и расчетных приемов создает методические основы управления стоком рек при его комплексном использовании. В рамках представленной работы автором были сформулированы и решены следующие научные задачи:

• впервые дана оценка воздействия нормированных и вариантно рекомендуемых исследователями экологических попусков на энергоотдачу комплексных гидроузлов (на примере строящегося Ирганапского и действующего Вишойского гидроузлов);

• произведена оценка изменения водного режима в нижних бьефах Новосибирской, Красноярской и Вилюйской ГЭС с целью выявления причин снижения производительности пой?;:

• предложен и доведен до инженерных приемов обобщенный метод определения энергетического эффекта от объединения ГЭС в единую энергосистему, позволяющий раздельно оценить эффект от асинхронносги стока и эффект от организации и проведения компенсирующего регулирования стока. Это особенно важно для решения вопроса о целесообразности организации сложной системы управления межбассейновым компенсирующим электрическим регулированием;

• предложен инженерный прием расчета и построения диспетчерских графиков управления работой водохранилищ ГЭС-компенсаторов, позволяющих реализовать полученный эффект в условиях энергоооьединения;

• обоснована очередность сработки водохранилищ ГЭС-компенсатороь, исходя из наименьшей интенсивности снижения уровней (йх!й.1) и.

следовательно, получения наименьших потерь мощности ГЭС из-за уменьшения напора;

• разработаны и внедрены Основные положения правил использования водных ресурсов водохранилищ Новосибирской, Красноярской, Вишойской гидроэлектростанций, а также ГЭС Выгского каскада;

• в составе Правил управления работой Вилюйского водохранилища разработана простая и удобная в эксплуатации методика определения величин судоходных попусков по схеме к с мп е н с ирую щ е г о регулирования гидрографа незарегулированной и рассредоточенной боковой прнточности;

• при разработке Правил управления работой водохранилищ ГЭС Выгского каскада предложена схема оценки эффекта каскадного компенсирующего регулирования стока и даны рекомендации по реализации этого эффекта.

Практическое значение работы подтверждено внедрением научных исследований и методических разработок автора в Основные правила использования водных ресурсов Новосибирского, Красноярского, Вилюйского гидроузлов и Выгского каскада ГЭС; гидролого-водохозяйственное обоснование Схем гидроэнергетического использования водных ресурсов бассейнов рек Оби. Енисея и Ангары. Основные теоретические и методические разработки автора включены в лекционные курсы "Водное хозяйство и водохозяйственные расчеты''."Управление гидрологическими процессами", которые автор много лет читает в Российском государственном гидрометеорологическом институте и на факультете географии и геоэкологии СПб Университета.

Апробация работы. Результаты работы докладывались: на Республиканской научно-технической конференции "Человек и окружающая среда" (Ленинград, 1975), научно-техническом совещании "Проблемы Новосибирского водохозяйственного комплекса и пути

повышения его народно-хозяйственной эффективности" (Новосибирск, 1975), Всесоюзном научно-техническом совещании "Влияние водохранилищ ГЭС на хозяйственные объекты и природную среду" (Ленинград, 1979), научно-практической конференции "Новосибирский водохозяйственный комплекс - важнейший народно-хозяйственный объект Западной Сибири" (Новосибирск, 1982), научно-практической конференции "Научные и практические основы управления техническим состоянием Ангарских водохранилищ" (Братск, 1984), высших международных гидрологических курсах ЮНЕСКО (Москва, 1986), Всесоюзном совещании "Совершенствование системы управления и контроля использованием и охраной вод в СССР на базе объединенных региональных ВХС" (Свердловск, 1987), Всероссийском научно-техническом совещании "Экосистемный подход к управлению качеством поверхностных и подземных вод мероприятиями на водосборах" (Свердловск, 1991), Всероссийской научно-практической конференции "Управление водным хозяйством России" (Екатеринбург, 1992), Международном симпозиуме "Методы охраны атмосферы и водной среды, регулирование и долгосрочное планирование природоохранных мероприятий" (Санкт-Петербург, 1994), на заседаниях технического Совета Ленгидропроекта и на Ученых советах Российского государственного гидрометеорологического института.

По результатам исследований опубликовано 57 печатных работ, включая учебник, практикум, методическое указание и учебное пособие по водному хозяйству, водохозяйственным и волноэнгрг<гп!ческьл1 расчетам.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 126 страниц текста, в том числе 14 рисунков, 15 таблиц и 95 наименований литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении даются эколого-экономические и технические преимущества гидроэнергетических установок, в частности ГЭС, по сравнению с другими источниками энергии. При этом обосновывается необходимость создания водохранилищ. как наиболее распространенного средства повышения располагаемых водных и гидроэнергетических ресурсов в остродефицитный по воде период и решения ряда водных проблем. Вскрываются причины сокращения объемов их развития в России и тенденции отечественной гидроэнергетики в плане ликвидации или смягчения негативных последствий создания и эксплуатации гидроузлов. Здесь же формулируется цель и задачи работы, раскрываются пути их реализации, показана актуальность исследований.

1. ОБЗОР МЕТОДОВ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАСЧЕТОВ И

ПРАКТИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ УПРАВЛЕНИЯ ВОДНЫМИ РЕСУРСАМИ ВО ДОХРАН И Л И Щ ГИ Д РОЭЛ ЕКТРОСТА Н ЦИЙ

Вместе с развитием в нашей стране гидротехнического и гидроэнергетического строительства, внедрением комплексного подхода к использованию водных ресурсов, а также осуществлением строительства каскадов водохранилищ и гидроэлектростанций получила развитие и методика водохозяйственных расчетов, сформировавшаяся в настоящее время в крупную научно-техническую дисциплину.

Значительный вклад в разработку теории и инженерных приемов обоснования основных параметров водохранилищ и гидроэлектростанций, управления их водными ресурсами внесли:

М.В.Потапов, С.Н.Крицкий и М.Ф.Менкель. Д.В.Коренистов, Г.П.Иванов, В.А.Бахтиаров, Я.Ф.Плешков, В.И.Обрезков, Н.К.Малинин,Д.С.Щавелев, Г.Г.Сванидзе, Ш.Ч.Чокин, ДЯ.Раткович, Е.В.Цветков, А.Ш.Резниковский, А.Е.Асарнн, М.А.Великанов, И.В.Гугаий. П.В.Стельмах, Г.Р.Гербович, А.Ю.Александровский и многие другие.

Ценный опыт накоплен в институтах Гидропроскт, Ленгидропроект, Ленгипроводхоз. Энергосетьпроект,МЭИ. РГТМИ и С-П техническом университете.

Вопросам экологического обоснования гидроэнергетического строительства посвящены широко известные работы А.Б.Авакяна и ВА.Шарапова, Н.ВАрефьева, Ю.С.Васильева, Н.И.Хрисанова, М.П.Федорова и других авторов.

В современных условиях, исходя из охраны природы, необходимо в реках резервировать остаточный экологический сток. Формированию методов и приемов установления экологических, в том числе и санитарных, попусков в нижние бьефы гидроузлов способствовали работы А.Е.Асарина, ДЛ.Ратковича, Б.В.Фащевского, И.С.Шахова и других. Значительный опыт накоплен и в институтах Гидропроект, Гипроводхоз. ЦНИИКИВР, РосНИИВХ и другие.

В соответствии с рекомендациями Минводхоза санитарный попуск обычно назначается не меньше минимального среднемесячного расхода воды маловодного года обеспеченностью (по стоку) 95 %. Такое нормирование не корректно, поскольку не учитывает наличия внутригодового распределения стока, что может вызвать разницу в установленных минимальных расходах. В дальнейшем в Типовых правилах эксплуатации водохранилищ того же ведомства, изданных в ¡987 г., санитарные попуски рекомендовано принимать равными минимальному среднемесячному расходу воды вероятностью превышения

95 %. Такой расход . как правило, будет устанавливаться в конце зимней межени, и оставление его в реке, в том числе и летом, вряд ли приемлемо.

Что касается назначения экологических попусков, то "Методическими указаниями" о составе и порядке разработки СКИВР и О В, Минводхоз, 1987 г. объем природоохранного (экологического) попуска рекомендовано принимать в размере 75 % от объема половодья года 95 %-ной обеспеченности в течение полноводного периода, в остальные месяцы объем попуска должен обеспечивать сохранение минимального среднемесячного расхода 95 %-ной обеспеченности.

Учитывая, что экосистема водного потока складывается в период половодья и межени, правильнее следует говорить о ненарушаемом экологически безопасном гидрографе, как неприкосновенной части каждого водного объекта. Он должен быть динамичным и изменяться в зависимости от водности года. Каких-либо научно-обоснованных методов и критериев установления подобных экологических гидрографов нет. Есть только предложения Б.Е.Фащевского, в соответствии с которыми , например в год 95 % обеспеченности, сток описывается гидрографом естественного стока 99 %обеспеченности.

Из изложенного в разделе могут быть сделаны следующие выводы и рекомендации.

1. Обобщенные, т.е. основанные на статистических параметрах стока, методы водохозяйственных и водноэнергетических расчетов целесообразно применять при проектировании пионерных (одиночных) гидроузлов на стадии выбора полезного объема водохранилища, величины и обеспеченности гарантированной мошности и среднемноголетней годовой выработки энергии.

2. В случае каскадов водохранилищ и ГЭС обобщенные методы и приемы следует использовать только для оценки эффекта каскадного каскадного компенсирующего регулирования стока. При этом их нельзя считать удовлетворительными. Они требуют и новых

разработок, достоинство которых должно быть оценено сходимостък их результатов с данными , полученными расчетами регулирования стока по длительным рядам. 3. Для принятия варианта экологически безопасного гидрографа попусков в нижние бьефы ГЭС необходимо проведение дальнейших исследований.

2. ЭКОЛОГО-ГИДРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ВОДОХРАНИЛИЩ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Режим работы водохранилищ гидроэьгргетичггхг.х установок, особенно в половодный период, определяется объемом экологических попусков. Предлагаемые варианты установления экологических попусков не имеют экономического обоснования. Автором впервые проведено исследование по оценке воздействий рекомендуемых экологических попусков на энергоотдачу комплексных гидроузлов Ирганайской и Вилюйской ГЭС с водохранилищами соответственно годичного и многолетнего регулирования стока.

Результатом регулирования стока водохранилищами

гидротехнических установок является снижение максимальных естественных расходов (уровней) воды в период половодья, что приводит на ряде рек к уменьшению, по сравнению с естественными условиями, кратности и продолжительности залития пойм. Интенсивность этого негативного процесса определяется глубиной регулирования стока, морфометрией поймы и ее удаленностью от створа гидроузла.

Автор на примере Новосибирского, Красноярского и Вилюйского гидроузлов с водохранилищами соответственно сезонного, годичного и многолетнего регулирования стока делает выводы о воздействии их на водный режим пойм.

2.1. Оценка воздействия экологических попусков на энергоотдачу комплексных гидроузлов

Изучению было подвергнуто два гидроузла: Ирганайский гидроузел, расположенный на р. Аварское Койсу (Дагестан) и Вилюйский гидроузел, расположенный на р. Вилюй (Якутия), имегошие, в основном, энергетическое назначение.

Было рассмотрено четыре варианта экологических попусков, а именно:

1. Нормируемые попуски (в половодье как 0,75 от объема весеннего половодья года обеспеченностью 95 %, в остальные месяцы -соответствующие минимальному среднемесячному расходу года 95 % обеспеченности.

2. Рекомендуемые попуски, как среднемесячные расходы воды обеспеченностью 95 % за периоды летней и зимней межени (в половодье то же, что и в п.1).

3. Рекомендуемые попуски, как среднесезонные обеспеченностью 95 % ( в половодье то же, что и в п. 1).

4. Рекомендованные попуски Фашевским Б.В.: в год 95 % обеспеченности расходы соответствуют гидрографу 99 % обеспеченности.

Вариантно установленные экологические попуски из водохранилищ сведены в таблицу 2.1 . Там же для сравнения даны естественные и зарегулированные расходы воды в створах гидроузлов в годы, близкие по объему годового стока к 95 %-ной обеспеченности. Кроме того в таблице приводятся дефициты зарегулированного стока до вариантно рассматриваемых попусков из водохранилища в период половодья.

Анализ данных приведенных в таблице, позволяет сделать следующие выводы:

• среднесезонные расходы воды (в периоды летне-осенней и зимней межени) обеспеченностью 95 % по величине близки к вековым запасам воды в речной системе и значительно меньше фактических зарегулированных расходов в маловодные годы той же обеспеченности;

Таблица 2.1

Естественные, зарегулированные расходы воды и вариантно принимаемые экологические попуски 1 - в створе Нрганайского гидроузла ___

■ Расходы Экологические Зарегулиро- Дефицит

воды в год, попуски ванный до Qnon:

Месяцы близкий по вариантам, расход, Qxç- Qnon,

к Р=95%, Ушя ,м3/с Qïap, MVC м Ve

MJ/'c 1 2 3 4 1,2,3 , 4

V 143 129 129 129 122 ¡29 0 ~7,0

188 152 119 -10,0 -33,0

VI 188 126 126 126 160 123 -3,0 -37.0

172 150 112 -14.0 -38,0

1 VII 192 93,4 93,4 93,4 163 114 +20,6 -49,0

1 128 111 108 + 14,6 -3,0

¡ VIII 124 56,8 56,8 56,8 105 122

Í 75,6 65.8 92,5

i ьх 66.1 19,5 28,0 40,2 56,2 63.8

1 90,7 78,9 88,4

1 X 49,0 ¡9,5! 28,0 40,2 41,6 ш

i 59,8 52.0 66,5

! XI 32J3 19,5 28,0 40.2 ^П Л 49.2

1 41,2 35.8 58.4

i" XII-III 22,0 19,5 18,3 20,0 18,8 50,0

1 31.0 25.8 57,2

1 IV 51.5 47,7 47,7 43,4 43,8 51,3

Í i ! ! 55,2 47.9 55,0

Í Год 12А 49,1 50,8154,1 66,1 75.5

76,3 66.1 74,0 __

В числителе - по модели 1957/58 гт., а в знаменателе - по 1961/62 гг.

2 - в створе гидроузла Вшпойской ГЭС -1,11

Расходы Экологические Зарегулиро- Дефицит

воды в год, попуски ванный до Qnca:

Месяцы близкий к Р=95%; м3/с по вариантам, Qncn,m3:'c 12 3 4 расход, Qbap, м3/с Q-ap~ м-1.2,3 Qncc, /с 4

V 1470 1114 N14 1114 1307 366 -748 -941

2150

VI 1050 1358 795 795 795 933 236 -559 -697

VII 845 689 640 640 640 751 1 ооо

VIII 290 110 3,46 48.5 82,8 258 i-i-J

IX 549 243 3,46 48,5 82.8 488 323

X 130 86,3 3,46 48.5 82,8 115 465.

XI-IV 55.0-4.28 18,5-1,20 3,46 0,92 4,12 49,13,8 564

Год 369 215 225 235 500

__i 369 | I i i i_L__

в числителе - по модели 1957/58 гг., а в знаменателе - по 1961/62 it.

• при установлении экологических попусков в нижние бьефы Ирганайской и Вшпойской ГЭС в период половодья на уровне 75 % от объема половодья года 95 %-ной обеспеченности или естественного половодья года 59 %-ной обеспеченности потребуется увеличение, против установленных в проекте, расходов воды. В первом случае возможно увеличение объема попусков до 3,4 км3 - на Вилгойском гидроузле. Во втором случае объем попусков возрастает на Вилюйском гидроузле до 4,3 км5, а на Ирганайской ГЭС составит 0,25 км3.

Повышение попусков возможно лишь за счет уменьшения зимних расходов воды, т.е. сокращения выработки электроэнергии ГЭС в самые напряженные по топливно-энергетическому балансу месяцы.

Для определения возможной величины снижения гарантированной энергоотлачи рассматриваемых ГЭС за счет увеличения попусков, против

принятых б проекте, в период половодья проведены расчеты регулирования речного стока водохранилищем Ирганайской ГЭС в условиях маловодного года обеспеченностью 95 % (по модели 1957/58 года). При этом, попуски в нижний бьеф принимались вариантно - по проекту и не ниже экологических попусков по варианту Б.В.Фащевского.

В условиях Вилюйского гидроузла энергоотдача определялась расчетами по критическом}' маловодному периоду (с 1941/42 по 1946/47 гг.), принятому в проекте для установления гарантированной мощности.

Исходя из сохранения расчетной обеспеченности энергоотдачи, уровни водохранилищ на начало и конец расчетных периодов принимались равными УМО.

Результаты расчетов сведены в табл. 2,2 . Анализ таблицы показывает следующее:

• Годовая выработка электроэнергии в рассмотренных вариантах экологических попусков практически не изменяется. Это объясняется тем, что в период половодья из-за повышенных, против проектных, расходов воды, сбрасываемых в нижний бьеф, наблюдается снижение уровней водохранилища и в конечном итоге - снижение напоров. Наблюдаемое снижение напоров компенсируется при этом повышением расходов ГЭС.

• Увеличение попусков в половодье возможно только за счет уменьшения зимних расходов воды. Это приведет к снижению гарантированной энергоотдачи в период зимней межени. Расчеты показали, что в варианте Б.В.Фащевского снижение гарант ированной мощности возможно до 14 % (против проектной) Fia Ирганайской ГЭС с водохранилищем годичного регулирования стока и до 35 % на Вилюйской ГЭС с водохранилищем многолетнего регулирования стока.

Таблица 2.2

Результаты расчетов регулирования стока:

1 - водохранилищем Ирганайской ГЭС по маловодному году Р=95 %

i 1 Вариант j Годовая выработка электроэнергии млн квт'ч Гара нтированная мощность в среднем за (XI-IV)MBt

Проектный J i 1023 76,1

При обеспечении j экологических попусков j по Б.В.Фащевскому (IV) j 996 65,6

Снижение энергоотдачи j в варианте IV по | отношешпо к проектному j т7 i. . (2,6 %) 10,5 (14%)

2 - водохранилищем Вилюйской ГЭС -1,11 по маловодному периоду

Годовая выработка Гарантированная мощност!

электроэнергии за период (XI-IV)

в среднем в среднем

Вариант за период минимальная за период минимальна:

сраЬотки Стар'год сраоотки v 1 * г^.р'гсд

вдхр-ша вдхр-ша

млн кВт-ч МВт

1. Проектный 22 ту 2079 1946-47 290,8 256,2 1946-47

2. Обеспечение

экологических

попусков в период 2271 2Iio 230,5 204.8

половодья и летне- 1946-47 1946-47

осенней межени

3. Обеспечение

экологических 2264 1 W S 190,0 160,2

попусков по i о * 1 V-tO--t .< 1942-43

Фащевскому Б.В.

Снижение

энергоотдачи во II варианте 0,04 % 60,3

по отношению к (21 %>

проектному

Снижение онерго-

отдачи в III вар.

по отношению к 0.35 100,3

проектному (35 %'!

• Такое резкое снижение зимней гарантированной энергоотдзчи говор! о том, что принятие попусков по варианту Б.В.Фащевского 1 приемлемо и противоречит самой суш регулирования стока. » Значительное снижение гарантированной зимней мощности I Вилюиской ГЭС наблюдается и в варианте принятия экологически попусков в период половодья величиной 0,75 объема половодья год 95 %-ной обеспеченности. Что касается периода летне-осенней 5! зимней межени, то здес экологические попуски не должны быть ниже среднесезонных расходе обеспеченностью 95 %. При этом расходы водь; в реке буду соответствовать сформированным за тысячелетие характеристикам русл и поймы.

Для установления экологических попусков в зимний период дл промерзающих рек, например Вилюя, необходимы новью разработки т их определению.

2.2. Оценка изменения водного режима на протяжении нижнеп бьефа комплексных гидро}'злов (на примере Новосибирского Красноярского и Вилгойского)

При проектировании гидроузлов возникает необходимость оцени их воздействия на природные условия речных долин и прилегающих } ним территорий, в том числе и водного режима, в нижнем бьефе на значительном удалении от гидроузла.

В условиях отсутствия подробной информации о русле и пойме нижних бьефов ГЭС оценка изменений водного режима произведена упрощенным методом, основанным на трансформационной функции СЧ - Н^м + т НзС?:-;, где <3; и (¿л - средние расходы воды за

текущие и предшествующие сутки в замыкающем створе расчетного

участка реки; qt и - то же, во входном створе участка; Ш, Нл Нз -коэффициенты, характеризующие регулирующую способность русла на расчетном участке реки, зависящие от эмпирически подбираемого времени добегэння стока х и расчетного шага времени ДС.

Непременными условиями применимости этого способа являются надежная увязка по длине реки данных о стоке в естественных условиях и независимость трансформирующих коэффициентов от степени наполнения русла. Опыт показал, что в пределах большого диапазона расходов воды могут применяться постоянные значения этих коэффициентов. Лишь при значительных выходах воды на пойму возникает необходимость изменения коэффициентов. Однако, в проектных условиях вероятность выходов воды в нижнем бьефе на пойму существенно уменьшается, поэтому увеличивается возможность применения постоянных коэффициентов.

Применение линейных трансформационных функций при расчете режима расходов и уровней в нижнем бьефе ГЭС позволяет учитывать боковую приточность, которая, как правило, недостаточно освещена наблюдениями, без ее непосредственного определения. При этом, вместо С> и ц необходимо трансформировать разности между естественными и проектными расходами.

Для получения в замыкающем створе ряда проектных расходов <2п = ГО) необходимо ряд вычисленных по вышеприведенной формуле разностей Д = ГА) вычитать с учетом знаков Д из соответствующих членов ряда естественных расходов в замыкающем створе Ое = Ш), включающих в себя и трансформированные в русле расходы боковой приточности.

Приведенная схема расчетов позволяет рассчитать ежедневные проектные расходы в паводочнын период, т.е. период открытого русла, когда наиболее ярко сказывается влияние сезонного регулирование стока.

Для перехода от проектных расходов к уровням воды используются зависимости между уровнями и расходами воды - {(I), установленные для естественного режима русла.

Правильность полученных приведенным способом данных определяется по совмещенным гидрографам естественных и зарегулированных расходов в расчетных створах на протяжении нижнего бьефа. По площадям, заключенным между этими гидрографами, численно равных объему аккумуляции воды в водохранилище в весенний период, и отслеживается достоверность трансформации половодной волны на протяжении нижнего бьефа.

Влияние водохранилищ на водный режим Оби у г.Колпашево (564 км от ГЭС): р.Енисея у п.Казачинское (290 км от ГЭС); р.Вилюя в створах Сунтар (588 км от ГЭС) и В.Вилюйск (896 км от ГЭС) рассмотрено за репрезентативный период соответственно в 20, 27 и 19 лег.

По результатам расчетов построены совмещенные кривые продолжительности среднесуточных естественных и зарегулированных уровней воды, а также обеспеченности максимальных уровней воды, приведенные к многолетию. Определенные по последним максимальные уровни воды I %-нон обеспеченности сведены в табл.2.3.

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

1. По Новосибирскому гидроузлу • Выход воды на пойму у г. Колпашево наблюдался в естественны:-условиях 1 раз в 2 года (в среднем за многолетие). С ввод о?/ Новосибирской ГЭС и осуществляемого Новосибирски»/ водохранилищем сезонного регулирования стока затопление лоймь будет наблюдаться 1 раз в 4 года. При этом продолжительность залитш поймы практически не изменяется.

Таблица 2.3

Максимальные расходы и уровни воды 1 %-ной обеспеченности в естественных и зарегулированных условиях в створах ГЭС и расчетных

створах нижнего бьефа

Обеспечен -ность % Условия Обь Енисей Вилюй

ГЭС Колпашево ГЭС Казачинское ГЭС Сун-тар Bet Ви- Л101

естествен- 13300 30000 23400 26200 13150 16400 ¡231

ные 102,2 62,77 152,3 93,9 190,5 124,6 1107

1,0 зарегули- 9400 28000 17400 20700 5950 8100 ¡148

рованные 99,5 62,57 150,6 92,8 185,4 120,0 } 104

срезка 3900 2000 6000 5500 7200 8300 ¡830

2,7 . 0,2 1,7 М 5.1 4,6 \"> 4 1 — * ' i

р.Обь - Новосибирская, р.Енисей - Красноярская, р.Вилюй - Вилгойские I, И гидроэлектростанции.

• Таким образом существенного влияния на водный режим поймы р. Оби у г. Колпашево Новосибирское водохранилище не оказывает. Резкое снижение ее рыбопродуктивности скорее всего выззано ухудшением качества воды, а нее количеством.

2. По Красноярскому гищю\злу

• Выход воды на пойму у п. Казачинское наблюдался в естественных условиях 1 раз в 2 года ( в среднем за многолетне). С вводом Красноярской ГЭС и осуществляемого ее водохранилищем годичного регулирования стока, затопление поймы будет наблюдаться ! раз в 20 лет. При этом продолжительность залития поймы снизится на 6 дней.

• Таким образом, Красноярский гидроузле оказывает существенное влияние на продуктивность поймы у п. Казачинское.

З.По Вилюйскому гидроузлу

• Если в естественных условиях пойма у г. Сунтар заливалась 1 раз в 2 года (в среднем за многолетие), то с вводом Вишойского гидроузла пойма не затапливается.

• Пойма у с. Верхне-Вшпойска затапливается с вводом гидроузла, как и в естественных условиях, ежегодно. Однако длительность залития поймы в проектных условиях снизилась в июне (в среднем за многолетие) на 8 дней, оставаясь практически без изменения в июле.

Автором на базе полученных результатов предпринята попытка увязать величину средней удельной срезки уровней на участках нижнего бьефа (в см на 1 км длины) с относительным полезным объемом водохранилищ - Риог.« . При этом какой-то однозначной зависимости для рассматриваемых гидроузлов не получилось. Здесь, по-видимому, кроме (Зпопез существенное влияние на распластывание половодной волны оказывает гидравлика русла.

3. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОГО И ЭНЕРгеТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА РАЗВИТИЯ КАСКАДА ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕДИНЕНИЙ

3.1. Основные положения методики расчетов компенсирующего регулирования стока в составе каскадов и энергетических объединений

При проектировании и эксплуатации многих каскадов в России было предусмотрено и организовано компенсирующее регулирование стока. Эффект его выражается приращением суммарной

гарантированной энергоотдачи объединяемых каскадов ГЭС и состоит из двух частей. Первая часть, эффекта - за счет асинхронности стока рек -реализуется автоматически, как только каскады ГЭС будут объединены

линией электропередач. Вторая - за счет компенсации энергоотдачи на боковой приточности и менее зарегулированных ГЭС отдачей ГЭС с водохранилищами глубокого регулирования стока реализуется только при организации и проведении межбассейнового компенсирующего электрического регулирования.

Суммарная гарантированная энергоотдача объединенных каскадов ГЭС может быть определена путем регулирования по расчетному стоковому ряду.

Математически задача в целом формулируется так: требуется определить оптимальное использование энергооемкостн водохранилищ ГЭС-компенсаторов, при котором достигается максимум целевой

функции:V Эгэс^ = Со —> макс Э . Расчеты регулирования стока

1-1

проводятся методом последовательного приближения (подбора) на заданную постоянную суммарную гарантированную отдачу энергообьединення, исходя из полной сработки энергоемкости водохранилища ГЭС-компенсатора. Для сокращения числа итераций в первом варианте суммарную гарантированную отдачу следует определять обобщенными методами.

В настоящее время гидроэнергетическое строительство осуществляется и намечается в отдаленных районах на водотоках, располагающих наблюденными стоковыми рядами ограниченной длительности. В этих условиях использование известных балансовых методов для оценки эффекта чрезвычайно затруднено, а в ряде случаев не представляется возможным.

Для оценки полного эффекта за счет организации и проведения компенсирующего регулирования стока автором разработан и внедрен в Ленгияропроекте, обобщенный аналитический метод, основанный на использовании статистических параметров годового стока и известных номограмм для определения многолетнего объема водохранилищ. При

этом коэффициенты изменчивости годового стока рек в створах одиночных гидроузлов или каскада гидроузлов Су- определяются по зависимостям С\'г = о ! От или в условиях энерго-объединений

С\г = ст,3г. Здесь с - стандартное отклонение от нормы; Эг - энергия среднегодового стока на с о о тв ететую щ е м суммарном напоре каскада ГЭС или напоре одиночной ГЭС: Э;- = КиСу 2Н 8760 кВт-ч, где Кьг -коэффициент мощности ; дг - норма годового стока (притока); . суммарный напор; 8760 - среднее число часов в году.

Из математической статистики известно, что дисперсия суммарного ряда гг, равна:

V

I

<г, - а{ +<к +<г3+...+сг + 2<у^2г./2 + 1<7хаггх, + 2а2а-1г,/}+...+2<тп^<тпг^1/ . Здесь

2 / ; * у

с;=су1 Эк Сус Эп, где Су1, Су: ....Суп - - коэффициенты изменчивости годового притока в соответствующие водохранилища ГЭС; Э], Эг,... Эа -энергия годового притока в водохранилища на соответствующем суммарном напоре ГЭС; Г1д.гш,гп-!й- коэффициенты корреляции мехеду годовыми притоками в соответствующие водохранилища. Число связей! по формуле определяется выражением 3=п(п-1 ¡/2 , где п-число водотоков. Это достаточно большой объем вычислений. Поэтому с целью уменьшения его при определении дисперсии суммарного ряда следует использовать формулу

СГ2, О-/.., (3.1)

V у V у Т V'"

Стандартное отклонение суммарного ряда равно а, - '«т\ , Здесь

? V ?

о"г,=Суг Эп; Эа- энергия годового стока, контролируемого ГЭС: Су- -коэффициенты изменчивости сумм годовой энергии стока,

контролируемой гипо оэлектро ста н ц ия м и. от 1-й до (п-1): г.

2>

коэффициент корреляции между суммой энергии годового стока на ГЭС от 1 до (п-1) и энергией на п-й ГЭС,

По вычисленной дисперсии ряда определяем коэффициент изменчивости суммарной энергии годового стока:

Су. = о-, ! , где У? - сумма энергий годовых стоков с различных

^ ; 1 !

частей бассейна. По найденным Су. и известному коэффициенту

i

многолетней составляющей объема с графиков Гуглия или Плешкова

з зависимости от п снимается коэффициент регулирования суммарной отдачи всех гидроэлектростанций а. (при заданной обеспеченности

отдачи). Суммарная гарантированная отдача энергообъединення при компенсирующем регулировании и с учетом асинхронности стока Эгар.ц

будет равна Эгар,Е:= а, Тэ, а Мга?,2= Э гаод 18760.

21 1 1

Приведенная формула использована для оценки эффекта, как за счет асинхронности стока рек, так и компенсирующего регулирования при объединении ГЭС, расположенных в нижнем течении Енисея. Результаты расчетов показали, что прирост суммарной гарантированной мощности ГЭС в бассейне Нижнего Енисея за счет асинхронности стока может составить 757 МВт или 8,1 % аналогичной мощности при независимом регулировании. При организации и проведении межбассейнового компенсирующего электрического регулирования прирост мощности ГЭС может возрасти до 1220 МВт или 13,1

Проверка результатов, полученных обобщенным методом, была проведена расчетами регулирования по маловодному периоду с 1974,-75

по 1981/82 гг. на постоянную суммарную гарантированную отдачу. При этом результате! оказались практически одинаковыми.

3.2. Инженерные приемы разработки диспетчерских графиков управления работой водохранилищ ГЭС-компенсаторов

Полученный эффект в условиях водо- или энергообъединения можно реализовать с помощью диспетчерских графиков управления работой водохранилищ, регламентирующих использование их водных ресурсов.

Рассмотрим это на примере Северо-Западного объединения, в составе которого работает 12 каскадов ГЭС. Прирост суммарной отдачи объединения за счет асинхронности стока и организации компенсирующего регулирования стока, рассчитанный обобщенным методом, составляет 9,3 %, против аналогичной при независимом регулировании.

По степени регулирования стока каскадами водохранилищ на реках Северо-Запада каскады на реках Суне, Нарве, Вуоксе. Кеми, Свири, Волхове, Н.Выге, Пазе, Вороньей относятся к компенсируемым установкам. Каскады ГЭС на реках Нива, 'Гулома, Ковда с а=(0,88-0,94) являются каскадами-компенсаторами, для которых и необходимо разработать диспетчерские графики.

Для получения необходимых исходных данных для разработки диспетчерских графиков водохранилищ-компенсаторов проведены оптимизационные расчеты регулирования стока каскадами водохранилищ по маловодному периоду, длительность которого равна критическому периоду сработан водохранилищ ГЭС-компенсаторов, в данном примере с 1936/37 по 1942/43 гг. Для упрощения и сок-ращения числа операций расчеты компенсирующего регулирования проведены по

энергетическим эквивалентам - энергии притока- Эд и энергоемкости водохранилища -Э? в мегаваттах в месяц.

При максимизации целевой функции - получение максимальной гарантированной выработки -энергии системы должны соблюдаться следующие режимные ограничения:

• по уровням наполнения и сработки водохранилища ГЭС-компенсатора Эвумо ^ Эшо+!<Эбнпу , где Эвц-ч - энергоемкость водохранилища на конец интервала; Эвнпу и Эзумо - энергоемкость водохранилища соответственно при отметках НПУ и У МО. - по установленной мощности ГЭС-компенсаторов: Nicj < Ny«, где Njj и Nvct - мощности каскада ГЭС-компенсатора соответственно в интервале j и установленная. При наличии двух и более водохранилищ-компенсаторов отдачи системы необходимо определиться с очередностью сработки водохранилищ-компенсаторов. Такие рекомендации в проектной практике отсутствуют. В нашем случае очередность сработки водохранилищ назначалась, исходя из наименьшей интенсивности снижения уровней (dz/dt), и, следовательно, получения наименьших потерь мощности из-за уменьшения напоров на ГЭС каскадов.

Определение среднедекадной интенсивности снижения уровня головных водохранилищ ГЭС-компенсаторов производилось по формуле

Nr?, =S,5 [QnpHTecuv) + О (AZ/At)] EH, (3.2)

где Nrs? - суммарная гарантированная мощность каскада ГЭС, вычисленная по ряду при изолированной работе; (¿прп-хш ■ среднемесячный приток в водохранилище за зимний период (XI-IW, Q -площадь зеркала водохранилища; AZ- величина снижения уровня водохранилища в среднем за декаду; At- число секунд за декад}' (0,864x10sc); S Н - суммарный напор ГЭС каскада.

Анализ средней интенсивности снижения уровня (Д2УЛ1) показал, что наивыгоднейшей является сработка в первую очередь водохранилища Ковдинского каскада, имеющего наименьшую интенсивность снижения по сравнению с другими водохранилищами. Во вторую очередь срабатывается Имандровское водохранилище, и в третью - Нотозерское.

По результатам оптимизационных расчетов регулирования стока можно подсчитать максимальные дефициты объемов водохранилищ-компенсаторов (максимальных дефицитов стока). Для этого достаточно просуммировать дефициты за критический маловодный период (период сработки полезного объема водохранилища).

Выбранные по месяцам максимальные дефициты объемов водохранилища-компенсатора и определяют собой протшюперебойную линию диспетчерского графика, т.е. те наполнения водохранилища на ¡тачало каждого месяца, которые необходимы по условиям обеспечения гарантированной отдачи системы. Рассчитанный и построенный таким образом диспетчерский график работы одного из трех водохранилищ ГЭС-компенсатора при регулировании суммарной отдачи энергообъединения приведен на рис.3.!.

4. РАЗРАБОТКА ПРАВИЛ УПРАВЛЕНИЯ ВОДНЫМИ РЕСУРСАМИ ВОДОХРАНИЛИЩ ГЭС С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И С УЧЕТОМ ПРИРОДООХРАННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ

Оптимальное распределение водных ресурсов между1 участниками энерговодохозяйственных комплексов (ЭВХЮ должно проводиться с учетом рационального природопользования. Учет этого фактора в действующих и разрабатываемых правилах использования водных ресурсов водохранилищ ГЭС усложняется отсутствием или несовершенством критериев допустимости того или иного воздействия на

М

/ ! \ 1 1' 1 " Зона. 1

Е о V, V/ т / . \ Зог гап 1 <а раб антир 'огт ова ты 7/--П. •ННй 47 1С >й \pafiomi * Г ¡ц 77 сгп/

1 м ощ час г

\ /

ар^ /2 90 т 7

Зона'* работ

/¿6 сниженной. ^ нош.нсстъга \ !

IV V! VIII X ХП //

IV

Рис.3.1. Диспетчерский график управления работой думского водохранилища ГЭС - компенсатора

природные комплексы. Не совершенна и сама схема распределения водных ресурсов между участниками ЭВХК из-за отсутствия научно-обоснованных отраслевых методов экономической оценки ущерба от недодачи воды отдельным участникам ЭВХК. Все это вызывает определенные трудности в разработке правил использования водных ресурсов водохранилищ.

Основными критериями при разработке правил управления водохранилищами ГЭС являются максимальное использование мощности ГЭС при надежном функционировании неэнергетических водопользователей и соблюдение безопасности сооружений. Действующим управляющим инструментом, обеспечивающим регламентацию режима работы водохранилищ и ГЭС являются диспетчерские графики, представляющие собой временные связи между энергоотдачей, заборами воды в верхнем бьефе, попусками в ннжний бьеф, с одной стороны, и уровнями воды в водохранилище, - с другой. Возможности диспетчерского управления режимом водохранилищ комплексного назначения иллюстрируют рис.4.1 и рис.4.2. на которых приведены разработанные автором диспетчерские графики работы водохранилищ Красноярской и Новосибирской ГЭС.

Для обеспечения требований водного транспорта на участке Красноярск-устье Ангары из водохранилища Красноярской ГЭС производятся значительные по величине попуски ( не ниже 2550 м3/с). Поэтому при разработке диспетчерского графика управления работой водохранилищ возникла необходимость в выделении зоны навигационных попусков. Верхней границей этой зоны является так называемая противоперебойная линия - ветвь наполнения. Расчет и построение ее для данного водохранилища, осуществляющего неглубокое многолетнее регулирование стока (в диапазоне уровней 228,0225,0 м ) произведен с некоторым запасом по маловодным годам расчетной 95 % - ной обеспеченности. Справедливость

ЪЯРЯ^Х*-'» «у

_1 I ^Г^У 1 ■ ¡'¿:з:1

ШШГ '

зж:.

\\^ \ ■

УГ

•чияосяьл \ \ • ичЯО/*/» \\;

Pnc-.il Диспетчерский графих управления работой зотохраннлиша. Красноярской ГЭС

, I I ¡1ОРоилЬоку ^о 111 'не < 7$0

^»сл.Д. Днсттггчерсатн граоик управления работе» зопохранкшшза Новосибирской ГЭС ! - зона, полней поопускной способности ГЭС. I - 7сна. з которой расходы зопы изменяются от 1300 по 11 СО ч''с з зависимости от прогноза лрктока л наполнения воиохраннянша. > - -гона, з которой расхозь: аооы равны 1000 Г1.п.- пгоехозньш период

НО

этого решения подтверждена расчетами по многолетнему стоковому ряду и периодом эксплуатации ГЭС.

Для защиты от наводнений правобережной части г.Красноярска и непереполнения водохранилища открытие водосброса предусмотрено при расходах притока, превышающих 12000 м*/с, с отм. 242.0 м. Сложнее было ограничить максимальные сбросные расходы в период летне-осенних паводков. Многовариантные расчеты пропуска их показали на необходимость принудительной сработки водохранилища с НПУ- 243 м до отм.242,0 м расходами 12000 м:7с при прогнозе расходов притока более 10000 м3/с.

В проекте Красноярской ГЭС по условиям использования завышенной установленной мощности, равной 6000 МВт, предусматривалось глубокое суточное регулирование стока с колебанием расходов воды от максимального - 6000 м'/с до минимального - 800 м-'/с. Расчетная амплитуда суточных колебаний уровня составляла при этом 3,8 м. У г. Красноярска эти изменения несколько затухали и составляли соответственно 3500 и 1000 м*/с при суточной амплитуде колебаний уровней в 2 м. Натурные эксперименты, проведенные при участии автора зимой 1971 и 1972 гг., показали следующее: инфильтрацнонные водозаборы г.Красноярска, расположенные в русле р.Енисея на островах Сосновом, Посадном и Отдыха, способны работать в межнавигационный период только при суточной амплитуде колебаний уровней не более 1,20 м и кратковременном снижении расходов воды в течение суток до 1200 м3.'с; в акватории Красноярского затона ледяной покров при данной амплитуде уровней не разрушается. Поэтому при разработке "Основных положений правил"предусмотрено ограничение использования мощности Красноярской ГЭС до 3700 МВт вместо 5200 МВт - по проекту: зажорные зимние коэффициенты снизились посравненню с проектными до 0,20-0,18, а следовательно повысились максимальные зимние уровни на ¡-2 м. Для

исключениям зимних затоплений и подтоплений деревень и поселков предусмотрено ограничение среднесуточных расходов ГЭС, а следовательно и мощности ГЭС, величиной 2500-2600 м3/с до 15-30 суток.

При разработке Правил управления Новосибирским водохранилищем необходимо было учитывать наблюдаемую "посадку" уровней Б оды в районе г.Новосибирска в результате русловых работ и добычи стройматериалов из русла р.Оби. Проведенные автором исследования показали, что в период с 1961 по 1988 гг. уровни по в. п.

г.Новоснбирск снизились на 80-85 см. Это привело к увеличению попусков, против проектных, обеспечивающих нормальное водопользование почти в 2 раза. Одновременно с этим были завышены навигационные попуски до 1300 м-ус. Все это привело к снижению зимних расходов воды до величин, ниже санитарных расходов, а гарантированная мощность упала на 15 %. С целью дальнейшей оптимизации распределения водных ресурсов водохранилища автором обоснован навигационный объем и соответствующий ему уровень сработай при согласованном попуске в 1300 м-\'с (зона 2 на рис.4,2). Особый интерес представляет нормирование размеров навигационного попуска в зависимости от запасов воды в водохранилище и предстоящего объема притока.

Задача оптимизации попусков из водохранилищ ГЭС осложняется и отсутствием надежных прогнозов неурегулированной боковой приточности на участках нижних бьефов гидроузлов.

При разработке Правил управления водными ресурсами Вилюйского водохранилища и ГЭС Выгского каскада автором разработаны методика и инженерные приемы учета приточности с частных водосборов.

Водные ресурсы Вилюйского водохранилища используются для целей энергетики и водного транспорта. Требования водного транспорта сводятся к поддержанию уровней и расходов воды в расчетных створах

на протяжении нижнего бьефа, при которых обеспечивается транзитная глубина.

Между расчетными створами имеется боковая приточность дополнить или зарегулировать которую возможно попусками из водохранилища. При этом, величина попусков из водохранилища определяется разностью необходимого расхода в расчетном створе (Отр) и расхода боковой приточности. Эффект за счет компенсации боковой приточностн попусками из водохранилища-компенсатора определяется надежностью прогнозирования боковой приточности ко времени добегания попуска ГЭС.

В составе рабочих чертежей Вилюйской ГЭС разработана и внедрена в Ленгидропроекте простая и удобная в эксплуатации методика определения величин судоходных попусков по схеме компенсирующего регулирования. Методика построена на прогнозировании боковой приточности по кривым истощения. Кривые истощения строятся по совмещенным ветвям спада гидрографов весенних половодий боковой приточности. Вид их для примера у с.Сунтар дан на рис.4.3.

Порядок использования кривых истощения боковой приточности при назначении попусков ГЭС достаточно прост: по уровню воды у Сунтара первые две декады навигации в день попуска из водохранилища определяется расход воды в Сунтаре; по разности между расходами воды в Сунтаре и соответственно сглаженным расходам воды в створе гидроузла с учетом времени добегания % получаем боковую приточность на участке в день попуска; с кривой истощения боковой приточностн у Сунтара по расходу боковой приточности в день попуска снимаем ожидаемый расход боковой приточностн через т = 3,5 суток; расход попуска (через ГЭС и водосброс) , для поддержания требуемого навигационного расхода в контрольном створе, принимается равным (^поп - От? - ч'[+с, где С>г+г- снятый с кривой истощения расход боковой приточности.

Ввиду того, что фактическая интенсивность спада боковой приточности, как правило, меньше максимальной, принятой при построении кривой истошения, размер попуска ежедневно корректируется путем ввода поправки на величину разности фактической суточной интенсивности спада и снятой с кривой истошения {см. рис.4.3), т. е. окончательная величина попуска принимается равной

Прогноз на последующие две декады навигации производится аналогично с использованием кривой истощения боковой приточности у Верхне-Вилюйска и с учетом времени добегания попуска от ГЭС до Верхне-Вилюйска, равного б суткам.

Эффект предлагаемой методики, выраженный в уменьшении расходоз попусков ГЭС и увеличении гарантированной отдачи, подсчитан по критическому маловодному период}' с 1939 по 1945 зт., принятому в проекте для определения гарантированно!! водоотдачи. Расчеты показали, что назначение боковой приточности ко времени добегания попуска от ГЭС по кривым истощения позволяет уменьшить объем навигационных попусков из водохранилища на 10,4 км3 по сравнению с таковыми, назначенными, по зависимостям, принятым в проектном задании. Водно-энергетические расчеты по рассматриваемому маловодному периоду показали, что гарантированная мощность ГЭС за счет уменьшения попусков в период навигации может быть повышена до 5 %. Несмотря на небольшой эффект, предлагаемая методика является более надежной и рекомендована для эксплуатации.

Назначением ГЭС Выгскогс каскада является выработка электроэнергии и участие в покрытии электрической нагрузки энергосистемы. При этом должны быть соблюдены требования неэнергетического водопользования.

Регулирующие объемы Сегозерского и Выгозерско-Ондского водохранилищ позволяют проводить соответственно многолетнее и

годичное регулирование стока. Полезные объемы остальных водохранилищ каскада незначительны и используются только для суточного регулирования мощности ГЭС.

При поступлении к створам Палокоргской, Маткожненской, Выгостровской и Беломорской гидроэлектростанциям незарегулирован-ного стока с частного водосбора с целью выравнивания суммарной отдачи каскада регулирующими объемами Сегозерского и Выгозерско-Ондского водохранилищ осуществлено компенсирующее многолетнее регулирование стока. При этом, расчет суммарной гарантированной отдачи ГЭС Выгского каскада произведен автором по совмещенным кривым зависимости гарантированной отдачи (а \УГ) от объемов водохранилищ, приведенных на рис.4.4. По этим кривым графическим подбором, исходя из одинакового периода сработки водохранилищ, определена суммарная гарантированная отдача из Сегозерского и Выгозерского водохранилищ, равная 172 мУс, а с учетом нерегулируемо!! боковой приточности на участке Надвойцы-Маткожня (87 % суммарной боковой приточности) гарантированная отдача каскада увеличена до 205 м3/с.

Суммарная гарантированная мощность каскада рассчитана с учетом средневзвешенных напоров ГЭС по формуле

1Нгар.95'/„ =[(« й'сег ТСХ \УВыг> 1 О9 / 3 1,56-10*1-8,5£Нср.взВ +

+[<а Увл?*.ым913! ,56-105)-8.5(ЕНср.вта-Но)] ~ (4.1)

где £N^95% - суммарная гарантированная отдача каскада обеспеченностью 95 %; а \Усег - гарантированная отдача из Сегозерского водохранилища,км3; а \\г31.т - то же из Выгозерского водохранилища, км-"; а гарантированная отдача за счет

боковой приточности.

Q.ltTM1/?

Рис A3 Кривая истошсния боковой пркгочносги п.Вилюй ус.Сучтар

i

í I адв о и ubi-Vi атхсжня

Реализация выявленной энергоотдачи каскада достигается следующими диспетчерскими условиями.

Способом итераций определяется : (¿з=(ЕКГгр -Е^тб.др> 8,5(ЕН -Но), где 1Мг4> - отдача каскада, равная 125 МВт; БКТ,;.ПР. - суммарная гарантированная мощность за счет боковой приточности с частных водосборов: ЕЫблр. = 8,5я,.а.н.и(0,78Нп+Нмт1,05Нв+1,1 4Нб); -

боковая приточность на участке Надвонцы-Маткожня, определяемая службой эксплуатации каскада; На, Нм, Нб,Не - средневзвешенные напоры Палокоргекой. Маткожненской, Выгостровской и Беломорской ГЭС.

Задаваясь Н0, определяем в первом приближении Затем по фактическим кривым зависимости уровней от расходов воды в системе Выгозеро-соединигельный канал-бьефы Ондской ГЭС рассчитываем Но'. При неравенстве Но'^Но расчет повторяем до их полного выравшгоания.

Величина попусков воды из Сегозерского водохранилища определяется разностью и расходами боковой приточности в Выгозерско-Ондское водохранилище. Последние принимаются по данным службы эксплуатации каскада.

Регулирование стока, проведенное по стоковому 36-летнему периоду подтвердило результаты, полученные обобщенным графическим способом с использованием зависимостей а \УГ = ДУпсп«^ что подтверждает их применимость для решения подобных задач.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.Дано обобщение отечественных и зарубежных методов водохозяйственных расчетов и практических приемов управления водными ресурсами водохранилищ гидроэлектростанций. Установлено, что используемые в проектной ¡фактике методы водохозяйственных и водноэнергетических расчетов, на основании

которых выбираются параметры и режимы работы водохранилищ и ГЭС, наиболее разработаны применительно к одному водохранилищу. Теория работы каскадов и методика оптимизации их режима развита в диссертации .

Выявлено, что отсутствие в настоящее время методологии и жестко нормированных требований окружающей Среды к режиму водных объектов, критериев допустимости того или иного воздействия на природные комплексы, а также методов научно-обоснованной экономической оценки ущерба от недодачи воды отдельным участникам ЭВХК усложняет разработку правил использования водных ресурсов действующих водохранилищ ГЭС.

2. Впервые дана оценка воздействия нормируемых и рекомендуемых исследователями экологических попусков на энергоотдачу комплексных гидроузлов (на примере строящегося Ирганайского и действующего Вилюйского гидроузлов). Выявлено, что нормируемые экологические попуски, устанавливаемые по минимальному среднемесячному расходу воды периода межени, слишком занижены. Правильнее за экологические расходы в период межени принимать среднесезонные (летне-осенние и зимние) расходы воды 95 %-ной обеспеченности, по величине близкие к вековым запасам воды в речной системе. Увеличение же экологических попусков в период половодья до объемов не ниже 75 % объема половодья года

95 % -ной обеспеченности или не ниже объема естественного половодья года 99%-ной обеспеченности приводит к значительному снижению, против проектных, гарантированной энергоотдачи ГЭС в зимний период и противоречит самой сути регулирования речного стока. Более приемлемым в этом случае является ежегодный попуск в течение 5-!О дней с расходами воды не ниже среднедекадного естественного, достаточного по величине для промывки русла, а на некоторых реках и для обводнения поймы.

3. Произведена оценка изменения водного режима в нижних бьефах Новосибирской, Красноярской и Вилюйской ГЭС. которая учтена при разработке правил эксплуатации водохранилищ ГЭС.

4. Предложен обобщенный метод определения энергетического эффекта от объединения ГЭС в единую энергосистему, позволяющий раздельно оценить эффект от асинхронности стока и эффект от организации и проведения компенсирующего регулирования. Это особенно важно для решения вопроса о целесообразности организации сложной системы управления межбассейновым компенсирующим электрическим регулированием. Методика внедрена в Ленгидропроекте и в учебном процессе РГГМИ и СПб Университете.

5. Полученный эффект в условиях энергообъединения можно реализовать с помощью диспетчерских графиков управления работой водохранилищ-компенсаторов. Расчет и построение подобных графиков основан на характеристиках зарегулированного режима, полученных в результате оптимизационных расчетов по критическому маловодному периоду.

6. Обоснована очередность сработай водохранилищ-компенсаторов, исходя из наименьшей интенсивности снижения уровней (<3г/<и) и . следовательно, получения наименьших потерь мощности ГЭС из-за уменьшения напора.

7. Разработаны и внедрены Основные положения правил использования водных ресурсов водохранилищ Новосибирской, Красноярской, Вилюйской гидроэлектростанций, а также ГЭС Выгского каскада. Правила разработаны с целью повышения эффективности использования водных ресурсов водохранилищ и получения максимума энергоотдачи ГЭС. При этом, оптимальное распределение водных ресурсов между участниками ЭВХК проведено, по возможности, с учетом природоохранных мероприятий.

8. В составе "Правил управления работой Вилюйского водохранилища" разработана простая и удобная в экплуаташш методика определения величин судоходных попусков по схеме компенсирующего регулирования гидрографа неурегулированной боковой поточности. Применение разработанной методики позволяет снизить объем навигационных попусков из водохранилища на 10,4 км3 по сравнению с таковым, назначаемым по зависимостям, принятым в Проектном задании. При этом, гарантированная мощность ГЭС, за счет уменьшения объема попусков в период навигации, может быть повышена до 5 % аналогичной по Проектному заданию.

9. При разработке "Правил управления работой водохранилищ ГЭС Выгского каскада" предложена схема оценки эффекта каскадного компенсирующего регулирования и даны рекомендации по реализации этого эффекта в процессе эксплуатации каскада водохранилищ.

10. В водохранилищах гидроузлов, водные ресурсы которых используются в интересах многих водопользователей, включая санитарное состояние водотока, целесообразно одновременно с установлением величины навигационного попуска выделять так называемый объем навигационной сработкп и соответствующий ему уровень. Это в условиях деформируемых русел ниже створа гидроузла и возможной "посадки" уровней сохранит разработанную в проекте систему распределения водных ресурсов между водопользователями и не приведет к резкому снижению зарегулированных расходов воды, а следовательно и энергоотдачи в меженный период.

11 .Основные теоретические и методические разработки автора воплощены в проекты крупных энергетических и комплексных, гидроузлов, бассейновые схемы использования водных ресурсов, правила использования водных ресурсов водохранилищ и их каскадов, а та!:же включены в лекционные курсы """'Водное хозяйство и водохозяйственные расчеты'"', "Управление гидрологическими

процессами", которые автор много лет читает в Российском государственном гидрометеорологическом институте и на факультете географии и геоэкологии СПб Университета.

12.Дальнейшие научные исследования в области управления речным стоком должны вестись в следующих направлениях:

- эколого-экономического обоснования попусков из водохранилищ ГЭС в нижние бьефы гидроузлов;

- совершенствование методики расчетов ретрансформацнн сезонного стока рек России;

- создание алгоритмов управления режимом работы каскадов гидроузлов при наличии нескольких водохранилищ-компенсаторов отдачи;

- совершенствование правил управления водными ресурсами водохранилищ по схеме компенсирующего регулирования гидрографа незарегулированной и рассредоточенной приточности с частных водосборов.

Основные работы, опубликованные автором по теме диссертации

1. Эффект межбассейнового компенсированного регулирования водохранилищ ГЭС Северо-Запада / Труды Гидропроекта.1973.-сб.29,-С.74-79.

2. Асинхронность речного стока и ее влияние на энергоотдачу ГЭС при их объединении в единую энергосистему Северо-Запада / Труды координационных совещаний по гидротехнике. вып.96,1974.С.-7]-77 (соавтор В.А.Бахтиаров).

3.К методике составления правил использования водных ресурсов водохранилищ гидроэлектростанций (для условий Северо-Западного

экономического района) / Сб.Изучение и охрана водных ресурсов,-М.:Наука, 1975.-С.69-71 (соавтор В.А.Бахтиаров).

4. Оптимизация управления длительными режимами работы водохранилищ ГЭС Северо-Западного экономического района / Труды координационных совещаний по гидротехнике,вып.107,1976.-С.45-51 (соавтор В.А.Бахтиароп).

5. Разработка рекомендаций по повышению эффективности использования водных ресурсов водохранилищ гидроэлектростанций Северо-Западного экономического района I Материалы республиканской научно-технической конференции "Проблемы охраны, рационального использования природных ресурсов.-Л.,.ЛПИ, 1976.-С.55-59 (соавтор В.А.Бахтиаров).

6. Диспетчерское управление водными ресурсами водохранилищ гидроэлектростанций Северо-Западного экономического района / Межвузовский сборник,-Л. Л П И, 1979.-вып.67 .-С .82-95 (соавтор В.А.Бахтиаров).

7. К вопросу о влиянии водохранилищ на хозяйство в нижних бьефах и рациональное использование водных ресурсов. В кн."Влияние водохранилищ ГЭС на хозяйственные объекты и природную среду" (тезисы доклада).-ВНИИГ, 1979.-С.7-8.

8. К вопросу о влиянии водохранилищ на хозяйство в нижних бьефах и рациональном использовании водных ресурсов / Межвузовский сборн.,Л.ЛПК,!982.-вып.79.-С.72-77.

9. Новосибирский водохозяйственный комплекс и улучшение режима его работы. Тезисы докладов научно-практической конференции "Новосибирский водохозяйственный комплекс - важнейший народнохозяйственный объест объект Западной Сибири", Новосибирск .30.10-2.12.1982,-С. 11-14.

Ю.Водохозяйственные проблемы верхней Оби в связи с развитием агропромышленного комплекса /Межвузовский сборник.-Л._ЛПИ,1984.-выи.85.-С.71-74.

11 .Повышение эффективности использования гидроэнергетических ресурсов р.Енисея /Гидротехническое строительство, 1984.-Хс 10.-С.4-6.

! 2.Методические указания по курсу "'Водное хозяйство и водохозяйственные расчсты".-Л.Д1ГМИ, 1984.-51 с.

13.Разработка методики оптимального управления водными ресурсами водохранилищ ПЭС Ангаро-Енисейского каскада.-Тезисы докладов научно-практической конференции "Научные и практические основы управления техническим состоянием Ангарских

водохранилищ",Братск,1984.-С.86-87,

!4.0сновы водохозяйственного проектирования. Учебное пособие.-Л.ЛПИ, 1985.-108 с.

15.0бобщенные номограммы для определения степени зарегулированности и использования стока рек КНДР/ Межвузовский сборник.-Л..ЛПИ,1986.-вып.94.-С.64-68 (соавтор Ли Ги Су).

16.Влияние перераспределения стока северных рек на водный режим Онежского озера и р.Свирн / Межвузовский сборник.-Л.,ЛПИ,1986.-ВЫП.94.-С-.72-82 (соавтор В.А.Котельников).

17.Современные проблемы и методы оценки эффективности использования водных ресурсов при создании водохозяйственных и энергетических систем.-В кн. "Совершенствование системы управления и контроля использованием и охраной вод в СССР на базе объединенных региональных ВХС" (тезисы доклада).-Свердловск, 198 7.-С .25-26.

^.Управление водным режимом водохранилища Верхне-Свирской ГЭС при территориальном перераспределении речного стока / Труды ГГИ,1987.-вып.313.-С.73-81 (соавторы: Р.А.Нежиховский.

В.А .Котельников).

19.Управление водным режимом водохранилища Верхне-Свирской ГЭС в условиях интенсификации водного транспорта / Гидротехническое строительство,!987.-Js.qI 2.-С.9-12 (соавтор В.А.Котельников).

20.Практикум по водному хозяйству и водохозяйственным расчетам.-Л.,Изд.ЛГМИ.1989.-195 с.

21.К определению зон синхронного и асинхронного колебания стока рек Северо-Западного экономического района / Со.научн.трудов ЛГМИ, 1989,-вып. 1 ОЗ.-С .39-45.

22.К выбору режима работы Онежско-Свирской водной системы в условиях возрастающего водопотребления'Гидротехническое строительство, 1990.0е6.-С.17-22 (соавтор В. А .Котельников}.

23.Гидролсго-окологические аспекты рационального использования водных ресурсов.-В кн."Экоснстемный подход к управлению качеством поверхностных и подземных вод мероприятиями на водосборах" (тезисы доклада).-Свердловск, 1991.-С .42-43 (соавтор В.А.Котельников).

24.Влияние регулирования стока Новосибирским водохранилищем на водный режим р.Оби у г.Колпашево / Сборн.научн.трудов ЛГМИ, 1991 .-вып.! Ю.-С.58-66.

25.Гидролого-водохозяйственные основы управления водными ресурсами водохранилищ России .-Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции '"Управление водным хозяйством России".- Екатеринбург, 14-18 декабря 1992,С.8-10 (соавтор В. А. Котель н ик ов).

26.Водное хозяйство и водохозяйственные расчеты. Учебник.-Л.,Гндрометеоиздат, 1993.-272 с.(соавтор А.Г.Иваненко - 60 с).

27.Гидролого-экологические аспекты развития Карельского перешейка / Сборн .научн.трудов РГГМИ, 1994.-вып. 136.-с.35-38 (соавтор В Л .Трушевский).

28.Водохозяйственный баланс озер Удомля н Песьво в условиях их использования в качестве водохранилища-охладителя Калининской АЭС/ Сб.научн.трудов РГГМИ, 1994.-вып. 136.-С.48-53.

29.Эколого-тидрологнческие проблемы рационального использования водных ресурсов. Краткие сообщения международного симпозиума "Методы охраны атмосферы и водной среды , регулирование и долгосрочное планирование природоохранных мероприятий,'-' СПб, 1994.-c.36-3?.

ЗО.Проблемы экологических попусков при эксплуатации гидроузлов. Тезисы Итоговой сессии Ученого Совета РГГМИ,СПб,1997.-е.55.