Основы управления гидрологическими процессами

Распределение потенциальных водноэнергетических ресурсов крупных и средних рек по экономическим районам России дано в табл. 2.1. Из таблицы видно, что наиболее богаты водноэнергетиче­ скими ресурсами Восточно-Сибирский район (35% от полного) и Дальневосточный район (42%). Всего на Азиатской территории России сосредоточено 2085 млрд. кВт-ч энергетического потенциа­ ла, или 87%. На Европейской территории России потенциальные водноэнергетические ресурсы крупных и средних рек составляют 310 млрд кВт-ч, или всего 13%.

Помимо потенциальных гидроэнергоресурсов необходимо знать ту часть их, которая на современном уровне развития науки и техники может быть использована для получения электроэнергии путем создания гидроэлектростанций, так называемый технический гидроэнергопотенциал. Эта часть гидроэнергоресурсов может быть

определена после учета всех потерь, как возникающих при превра­ щении гидравлической энергии в электрическую, так и зависящих от природных условий и параметров установки (недоиспользование отдельных участков реки, наличие глубокой сработки водохрани­ лища, недостаточная зарегулированность стока и т.п.). Кроме того, учету подлежат неизбежные отъемы воды на неэнергетические ну­ жды (орошение, обязательные попуски по условиям нижнего бье­ фа). Соотношение между техническим и полным гидроэнергопо­ тенциалом в целом по России составляет 0,69.

Наибольший интерес для хозяйства имеет экономический гид­ роэнергопотенциал - часть технического, использование которого экономически целесообразно в настоящее время с учетом требова­ ний топливно-энергетического баланса региона, комплексного ис­ пользования водных ресурсов и охраны природной среды. Эконо­ мический гидроэнергопотенциал - величина переменная, зависящая от экономической коньюктуры.

По оценке 1961 г., технический и экономический гидроэнерго­ потенциал всех рек России составил соответственно 1680 и 850 млрд кВт-ч. Наибольший экономический гидроэнергопотенциал сосредоточен в Сибири (400 млрд кВт-ч), на Дальнем Востоке (290 млрд кВт-ч) и на Северном Кавказе (25 млрд кВт-ч). Среднемного­ летняя выработка эксплуатируемых и строящихся гидроэлектро­ станций (на 1.01.2003) составила 192 млрд кВт-ч, или 22% экономи­ ческого гидроэнергопотенциала России.

21

Распределение технического и экономического гидроэнергопо­ тенциала, также его использование по территории России дано в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Р асп р ед елен и е п о т е н ц и а л ь н ы х , тех н и ч еск и во зм о ж н ы х к и сп о л ьзо в ан и ю и эк о н о м и ч еск и х во д н о эн ер гети ч е ск и х ресурсов России (в м лр д кВ т-ч )

по эк о н о м и ч еск и м р а й о н а м (к р у п н ы е и сред ние р еки )

Э кономический	П лощадь, тыс.км2	отенциальныП е водноэнергетические	ресурсы	дельнаяУ	насыенностьщ ,	тыс. кВткмч2-/	ехническиеТ водноэнергетические	ресурсы	Экономические водноэнергетические	ресурсы
район
Северо-Западны й*	№ 7 ,9	99,0			59		55		43
Ц ентральны й	485,1	15,0			31		8,0		6,0
В олго-В ятский	263,3	15,0			57		9,0		7,0
Ц ентрально­	167,7	2,2			13		0,8
черноземны й
П оволж ский	536,4	71,0			104		47,0		41,0
С еверо-К авказский	355,1	108,0			300		53,0		25,0
У ральский	824	84,0			43		56,0		40,0
Западно-С ибирский	2427,2	144,0			146		93,0		46,0
Восточно-	4122,8	848,0			206		664		350
С ибирский
Д альневосточны й	6215,9	1009			161		684		294
В сего по России	17075,4	2395			140		1670		852
Из них:
по Европейской
территории России		310,0					173		122
по А зиатской терри ­
тории России		2085					1497		730

* В м есте с С еверны м районом и К алининградской областью

Среднемноголетняя вы ра­

ботка эксплуатируемых и

строящихся гидроэлектро­

станций (на 1.01.2003)

12,8

1,5

5,6

30,7

8,0

4,5

8,71

113,5

20,44

192

Из таблицы видно, что наибольший процент использования экономического потенциала наблюдается на Европейской террито­ рии России (40%), а наименьший (7%) - на Дальнем Востоке.

В промышленно развитых странах эта величина колеблется от 40 до 50%).

22

Если валовый (теоретический) гидроэнергопотенциал не вызы­ вает сомнений, то технический, по мнению специалистов Гидро­ проекта, представляется заниженным. Некоторые сомнения вызы­ вает и подсчитанный ранее экономический гидроэнергопотенциал. Это связано в первую очередь с новым подходом к оценке послед­ ствий создания водохранилищ и решению природоохранных меро­ приятий. Поэтому многие ранее разработанные схемы использова­ ния водотоков должны быть пересмотрены с позиций минимума затоплений водохранилищами и сохранению окружающей среды. Естественно, это приведет к уменьшению степени зарегулирован­ ное™ стока и использования напора. Однако при этом надо нахо­ дить такую схему разбивки водотока на ступени использования, при которой использование стока, в том числе и энергетическое, остает­ ся экономически оправданным. С учетом заданных критериев сле­ дует ожидать снижение экономического гидроэнергопотенциала в районах Центра, Юга, Северо-Запада Европейской части России, Западной Сибири и некоторых районов Дальнего Востока. Эконо­ мический гидроэнергопотенциал Кавказа, части районов Сибири может повыситься.

Первоочередным является сооружение ГЭС на Томи, Катуни, Алдане, притоках Амура, в бассейне Терека и Кубани. Предпочте­ ние будет отдаваться строительству средних и малых ГЭС с не­ большими водохранилищами речного типа, характеризующимися незначительными затоплениями сельскохозяйственных земель, ле­ сов, населенных пунктов, инженерных коммуникаций.

Следует особо остановиться на малых ГЭС мощностью от 100 до 30 ООО кВт.

Преимущества малых ГЭС перед средними и крупными сво­ дятся к следующим:

-возможность энергоснабжения труднодоступных и отдален­ ных районов;

-низкая капиталоемкость;

-экологическая чистота. Этот вопрос спорный. По-видимому, скорее надо говорить о легкости согласования проектов малых ГЭС;

-носят рыночный характер. Основу развития малой энерге­ тики составляют частные лица и отдельные предприятия.

Технический потенциал малых ГЭС России, по оценке Гидро­ проекта, составляет около 360 млрд кВт-ч. К настоящему времени

23

вРоссии в эксплуатации сохранилось 22 малых ГЭС (МГЭС) сум­ марной мощностью 185 МВт из 6614 МГЭС, действовавших на на­ чало 1952 г. По предварительной оценке, рекомендовано восстано­ вить примерно 100 МГЭС (мощностью от 100 до 1500 кВт) суммар­ ной мощностью около 85 МВт, в основном на Северном Кавказе,

вЛенинградской, Псковской и Новгородской областях.

2.3.Нетрадиционные возобновляемые энергоресурсы

исложность их использования

Известные негативные последствия сооружения гидроэлектро­ станций (затопление и подтопление земель, плохая подготовка ложа водохранилищ, неблагоприятные изменения ледотермических усло­ вий, снижение биологической продуктивности пойм и т.д.), отра­ зившиеся на качестве природной среды на условиях жизни населе­ ния и развития отдельных отраслей хозяйства, повлияли в послед­ ние годы на формирование отрицательного отношения ряда специа­ листов и общественного экологического движения к строительству любых гидротехнических объектов на реках и к реализации кон­ кретных проектов ГЭС.

В связи с новыми тенденциями в развитии экономики нашей страны, ее переориентацией на социальные нужды и решению эко­ логических проблем развитию нетрадиционных источников энергии отводится существенная, роль. В настоящее время использование возобновляемых источников энергии - геотермальных вод, прилив­ ных течений, энергии волн, ветра и солнца —рассматривается не­ редко в качестве альтернативных гидроэнергетике экологически «чистых» источников энергии.

Темпы и масштабы освоения указанных источников энергии в России отстают от зарубежных и не отвечают требованиям хозяйст­ ва, особенно в регионах, располагающих запасами этих видов энер­ горесурсов.

Запасы геотермальной теплоты в виде термальных вод в России относительно невелики и сосредоточены в основном на Камчатке. Там же с 1967 г. эксплуатируется Паужетская геотермальная элек­ тростанция мощностью 7 МВт.

Запасы термальных вод с температурой от 50 до 100°С обнару­ жены в Западной Сибири на глубине 1-3 км и более, в Восточной Сибири наиболее перспективным по использованию термальных

24

вод является Северное Прибайкалье. Термальные воды этих регио­ нов предполагается использовать для обогрева населенных пунктов в бальнеологических целях, для создания парниковых хозяйств.

По экономическим показателям, использование энергии гео­ термальных источников обходится пока намного дороже электро­ энергии от ГЭС. Так, себестоимость энергии, вырабатываемой Паужетской геоТЭС, составляет 1,9 коп/(кВт-ч), а на ГЭС АнгароЕнисейского каскада - в 30 раз меньше.

Запасы приливной энергии России оцениваются в 250 млрд кВт-ч в год. В использовании этого неисчерпаемого источника энергии делаются только первые шаги. Первая опытная Кислогубская ПЭС мощностью 400 кВт построена в 1967 г. на Кольском по­ луострове. Более мощные (до 25 млн кВт) проектируются в Мезен­ ском заливе Белого моря, на побережье Охотского моря (мощно­ стью 8 млн кВт) и в других районах.

У ПЭС своеобразный режим работы, для приспособления кото­ рого к режиму потребления требуется специальное устройство, в том числе аккумуляторы. Проектируются ПЭС далеко от потреби­ телей и для доставки энергии нужны мощные и протяженные высо­ ковольтные линии.

Гидроэнергетический потенциал морских волн пока не опреде­ лен из-за отсутствия технологии преобразования этого вида энергии в электрическую.

Что касается солнечных электростанций (СЭС), то в настоящее время в Крыму работает гелиостанция мощностью 5 МВт, это самая экологически чистая электростанция. В пределах России пока име­ ются только утвержденные проекты СЭС.

Ветровых электростанций (ВЭС) в мире действует большое ко­ личество. У нас это тоже находится пока в стадии разработки и опытных установок. В настоящее время рассматривается возмож­ ность сооружения ВЭС на Ладожском озере для снабжения энерги­ ей о. Валаам.

Недостаток ВЭС - малая концентрация мощности и небольшое число часов использования в году.

Нетрадиционные источники энергии хотя и признаются эколо­ гически чистыми, но в большей или меньшей степени могут небла­ гоприятно воздействовать на различные природные среды и объек­

25

ты. Так, например, неблагоприятные воздействия СЭС на окру­ жающую среду могут проявляться:

- в отчуждении земельных площадей, их возможной деграда­

ции;

-в большой материалоемкости;

-в изменении теплового баланса, влажности, направления ветра в районе расположения станции;

-в опасности перегрева и возгорания системы т.д.

Вветроэнергетике это проявляется:

-в шумовых воздействиях, радио и телевизионных помехах;

-в отчуждений земельных площадей;

-в опасности для мигрирующих птиц и насекомых и т.д.

Вприливной энергетике:

-в периодическом затоплении прибрежных территорий, изме­ нении землепользования в районе ПЭС, флоры и фауны акватории.

Взаключение необходимо отметить сложность использования нетрадиционных энергоресурсов, которая заключается в невозмож­ ности экономически обосновать эффективность нетрадиционных энергоустановок из-за несовершенства методологии экономических расчетов и крайне высокой стоимости производства электроэнергии на мелких электроустановках, не освоенных ни в строительстве, ни

вэксплуатации. Кроме того, ни в одной из стран с относительно развитой нетрадиционной энергетикой не ставится задача решения энергетической проблемы только с ее помощью. На долю послед­ ней в лучшем случае приходятся единицы процентов потребляемой электроэнергии.

26

Р аздел 2. ГИДРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО И ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Глава 3. ГИДРОЛОГИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ

ИСПОСОБЫ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

3.1.Общие положения

Проектируемое водохозяйственное сооружение рассчитывается на длительный срок эксплуатации в течение последующего после строительства периода. Поэтому для водохозяйственных расчетов необходимо использовать возможные для этого периода значения речного стока и его режимные характеристики. Например, при обосновании размеров водохранилищ с заданной водоотдачей необ­ ходимо учитывать характер возможного в будущем маловодья - его длительность и степень понижения стока. Размеры водопропускных сооружений в теле плотины также должны устанавливаться на ос­ нове расчета гидрографов возможных высоких половодий и павод­ ков в течение будущего периода эксплуатации сооружений.

Таким образом, данные о речном стоке непосредственно ис­ пользуются для обоснования как размеров, так и режима эксплуата­ ции водохозяйственных сооружений, обеспечивающих заданное водопотребление. При выполнении водохозяйственных расчетов возникает необходимость использования данных о факторах, влияющих на сток - метеорологических (осадки, испарение, темпе­ ратура воздуха и почвы и др.), ландшафте водосбора (рельефа, поч­ венного и геологического строения, растительности), морфометри­ ческих и гидравлических характеристиках речного русла и т.д.

3.2. Состав гидрологических данных для водохозяйственного проектирования

Гидрологическая информация, поступающая от опорной гид­ рологической сети комитетов по гидрометеорологии, составляет основу гидрологических расчетов при водохозяйственном проекти­ ровании. Кроме того, необходимо привлекать данные специальных наблюдений других министерств и ведомств. Качество расчетов зависит от наличия и точности гидрологических данных. Проекти­

27

рование любого водохозяйственного мероприятия начинается

санализа надежности и однородности данных имеющейся сети,

сосуществления специальных гидрологических изысканий для сбо­ ра данных по проекту.

Данные наблюдений за стоком представляются в виде таблицы среднеинтервальных расходов воды (см. табл. 3.1).

Проектные водохозяйственные расчеты целесообразно выпол­ нять в зависимости от решаемых задач и наличия исходной инфор­ мации по декадным (в половодье или за период открытого русла) и месячным (в межень) интервалам времени. В этом случае в табл. 3.1 вводятся дополнительные графы. Проведение расчетов только по указанным интервалам времени дают удовлетворительные резуль­ тата лишь для ГЭС с водохранилищами годового и многолетнего регулирования стока. Применение суточных интервалов оправдано только для ГЭС с водохранилищами суточного регулирования стока и с низким коэффициентом его использования. Применение расчет­ ных интервалов более месяца приводит к существенному завышению расчетной водоили энергоотдачи, что является крайне нежелатель­ ным. При этом обычно используется не календарный год - с января по декабрь, а водохозяйственный - с начала половодья до конца ме­ жени. Практический смысл такого года заключается в том, что в его пределах замыкается определенный этап работы водохранилища.

Граница водохозяйственного года, как правило, совмещается

сначалом первого половодного месяца. Хотя от года к году время наступления половодья по календарю не совпадает, границу года следует жестко закреплять, ориентируя ее на более раннее начало половодья. Этим исключается неизбежное искажение стока пред­ шествующей межени высокими расходами начавшегося раннего половодья, когда за начало года принимается среднее или позднее его наступление. В связи с разнообразием климатических условий используемые водохозяйственные годы имеют различные границы:

смарта по февраль, с апреля по март, с мая по апрель и т.д.

Представленный стоковый ряд наблюдений за многолетний пе­ риод можно рассматривать как статистическую выборку из гене­ ральной совокупности, описывающей естественные процессы. Ос­ новными характеристиками, которые используются (среди прочих) при водохозяйственном проектировании, являются:

2 8

Q

гг

з

V§

й

о ­	расходвой	воды
Среднийгод				r t	СП	•	OO	rf	rf
			ОО Ю h •				• с— сч 40
			^	т-Н т-Н			М t		^
	К			сп ш		.	. r t	Г--	40
			in <л >л				40	0\	го
	Н		г-	m	40		in	^	сп
			^	rf	m		VD Д
Sri			Vi сч о .			.	. г» й <ч
4>	-
D.			rj* r t		чо		с--		rt
3
E5			о	04 00			^	[2	ON
	я
			•О СП 40				~	рц СП

Sis
о
я	X
a
mQ
02
о	X
et
о
33
5	X
= S	VIII
STM
Я
о
О)
	>
Q,
	>
	>
	>
В одохозяй­	ственны й

		_ *-н				40 40 л
	S	S	: '		|	1
	212	41	193			279	1047	41
	2	“	§	1	1 1S		S	“
	^ _ 40			•	•	ONО ^
	(N^		40			• rt Г-
		“	СЧ			т_<щ ^
	in оо Г-			. .		. £ Гп Г-~
	00 40 04					2н lO^
	203	105	94			502	1158	94
	1061	1028	728			1320	2302	553
	1/~> ' CN			•	•	О 40
	rf СП		(N			• О О 5
	—rt <N					(N04
ГОД	1912-13	1913-14	1914-15			Средний	Н аибольш ий	Н аим еньш ий

29

1) средний многолетний годовой сток ( Qr или Wr );

2 ) распределение стока в течение года (по сезонам, отдельным

периодам, в течение месяца, суток);

3)максимальные расходы водьг.З

-сформированные весенним снеготаянием (максимумы весеннего половодья);

-сформированные ливневыми осадками (максимумы дожде­ вых паводков);

-сформированные в результате обоих факторов (весеннее снеготаяние и ливневые осадки);

-различной обеспеченности;

4)объем стока весеннего половодья и дождевых паводков;

5)минимальные расходы;

6 ) среднегодовой расход взвешенных и донных наносов;

7) распределение расходов взвешенных и донных наносов в течение года;

8) продолжительность периодов с ледовыми явлениями, на­

пример периодов с ледяным покровом и ледохода.

Эти характеристики устанавливаются по многолетним рядам наблюдений. Для применения стандартных статистических методов данные необходимо проверять на стационарность и однородность известными методами математической статистики.

Методы моделирования могут быть полезными для получения гидрологических данных в следующих случаях: при наличии про­ пусков в рядах наблюдений; при коротком периоде наблюдений; при отсутствии данных для обследуемого участка, например вблизи плотин, но при наличии их на соседних участках.

Для этого разработано несколько математических методов и целый ряд программ расчета. Используемая при водохозяйственном проектировании календарная последовательность значений стока реки должна быть однородной, т.е. наблюденный сток должен быть приведен к естественному состоянию.

Если сток реки регулируется водохранилищами, то выполня­ ются расчеты по его ретрансформации; если сток изымается на хо­ зяйственные нужды, то выполняются расчеты по его восстановле­ нию, т.е. приведению к естественному. При этом учитываются как безвозвратное водопотребление, так и размеры и режим поступле­

30