33

9. Водохранилища и окружающая природная среда и хозяйство

9.1. Влияние водохранилищ на сток рек

Количественная оценка преобразования стока рек крупными водо­хранилищами нашла широкое освещение в литературе. Однако, принимая во внимание эксплуатацию существующих и строительство новых малых и средних водохранилищ ГЭС, возникает необходимость в оценке изменения распределения стока за счет этой категории искусственных водоемов (рис. 9.1). Влияние искусственных водоемов на гидрологический режим проявляется во внутригодовом и многолетнем перераспределении водности, изменении режима наносов, смене русловых процессов, особенностях затопления русл и пойм рек, изменении в тепловом стоке и ледовых условиях, а также в характере и интенсивности испарения с водной поверхности. Наиболее существенны изменения в водном режиме, происходящие в двух аспектах: направленное перераспределение стока во времени и сопутствующие неизбежные изменения общего количества водных ресурсов в осваиваемом районе.

Рис. 9.1. География водохранилищ Беларуси энергетического назначения. Изолиниями показаны преобладающие коэффициенты регулирования речного стока осуществляемые водохранилищами.

Влияние водохранилищ ГЭС на потери речного стока во времени можно оценивать в виде суммы затрат воды на единовременные и постоянные потери. К единовременным потерям можно отнести затраты воды на заполнение водохранилища, а также пополнение запасов подземных вод за счет поверхностного стока до момента наступления установившегося режима. К постоянным затратам воды могут быть отнесены потери на испарение с дополнительной водной поверхности и безвозвратное во до потребление на хозяйственные нужды (орошение, водоснабжение и т.п.).

При рассмотрении изменения водного режима на массовом материале возникают трудности принципиального характера, связанные с исходной информацией, поскольку данные стационарных наблюдений за измененном речным стоком в результате создания средних и малых водохранилищ ГЭС крайне малочисленны и неоднородны. Что касается фонда данных о регулирующих водоемах, то современная система учета этих данных требует значительного усовершенствования и значительно большей регулярности. Исходная информация как о водных ресурсах, так и о параметрах регулирующих водоемов становится все беднее и беднее по мере уменьшения их размеров. Поскольку конечные выводы зависят от общего объема исходной информации, то точность осредненных характеристик несколько выправляется за счет увеличения числа самих объектов исследования.

Основная масса водохранилищ осуществляет сезонное регулирование стока, остальные предназначены для суточного и недельно-суточного регулирования. Многолетний вид регулирования типичен для водохранилищ средних ГЭС. Применительно к первым двум группам водохранилищ использовались разные методики анализа, поскольку в первом случае речь идет о степени выравнивания внутригодового распределения стока, во втором — об оценке увеличения суточных колебаний стока вследствие изменения плавного суточного хода стока применительно к энергетическим нуждам.

Для оценки регулирующей способности существующих водохранилищ на территории Беларуси служит коэффициент регулирования, определяемый соотношением полезного объема водохранилищ (W_п) и среднего годового стока реки за многолетний период (V_O). Его значение колеблется в небольших пределах, что также является лимитирующим фактором использования водохранилищ на малых реках Беларуси и в том числе энергетических целях (см. рис. 9.1).

Для гидроэнергетической характеристики используются минимальный суточный расход 95 % обеспеченности (Q₉₅) и величина напора. Полезный объем водохранилищ, как правило, определяется одной третью величины подпора в створе ГЭС верхней части от полезного объема при нормальном подпорном уровне (НПУ).

Выработка электроэнергии на малых ГЭС в условиях Беларуси определяется по формуле:

Q_ГЭС=кВт/ч,

где W=Qt– объем воды, протекающий через турбины за времяt(сек) при расходеQ(м³ /с), Н – расчетный напор ГЭС, м.

Установленная мощность гидроэлектростанции определяется выражением:

N_уст=Э_гэс/Т_услкВт/ч,

где Т_усл– условное число часов использования установленной мощности в году при выработке Э_гэс.

Как показали расчеты Центрального НИИ комплексного использования водных ресурсов (ЦНИИКИВР) и опыт работы существующих ГЭС в Беларуси, Т_усл.= 2500 ч:

Э_гэс=Н/450 (W₉₅ + 5/6V) кВт/ч,

где W₉₅– объем годового стока в маловодный год.

По расчетам ЦНИИКИВР наиболее перспективным районом для строительства гидроэлектростанций являются реки бассейна Западная Двина и Немана. С учетом экологической приемлемости перспективные створы для строительства ГЭС подразделяются на три группы (рис. 9.2).

В последние годы изучаются вопросы возможности использования ранее законсервированных ГЭС. Перспективным также является создание малых ГЭС руслового типа без существенного затопления долины и поймы.

Как свидетельствует характер размещения существующих ГЭС и ранее проектируемых в 50-е гг., но по ряду причин не построенных (Витебская, Гродненская, Мостовская и др.), основные гидроэнергетические ресурсы концентрируются на севере и северо-западе Беларуси. Однако полная реализация этих проектов проблематична в связи с негативными экологическими последствиями, возникающими при их создании. Использование прудов в этих целях

Рис. 9.2. Перспективное размещение водохранилищ энергетического назначения по территории Беларуси (группы приемлемости: 1-ой, 2-ой, 3-ей)

маловероятно по экологическим последствиям и экономическим затратам.

С учетом природных условий, экологических последствий, возникающих при создании водохранилищ, перспектив строительства водохранилищ энергетического назначения на территории Беларуси нами выделены шесть районов: I— Поозерский,II— Нарочано-Вилейский,III— Неманский,IY— Центрально-Березинский,Y— Полесский иYI— Верхне-Днепровский. Наиболее перспективным районом для строительства водохранилищ при ГЭС является Поозерский район, который находится в пределах Западно-Двинского гидрологического района и отличается благоприятным для строительства рельефом, наличием озерных котловин и хорошей водообеспеченностью. Современные озёра являются благоприятными чашами для подъема уровня и строительства малых ГЭС при незначительных удельных затоплениях. В пределах Нарочано-Вилейского и Неманского районов создание водохранилищ при ГЭС лимитируется основными водотоками (реки Вилия, Неман), т. е. водохранилищами речного типов. Однако и их создание связано со значительными затоплениями плодородных земель, а это требует проведение тщательной экологической экспертизы проектов. Центрально-Березинский район отличается значительным количеством водохранилищ различного назначения, на которых возможна установка турбин для эпизодической выработки электроэнергии для покрытия местных потребностей. В пределах Верхне-Днепровского района возможна реализация отдельных проектов. Однако опыт создания Тетеринской и Чигиринской ГЭС свидетельствует об неиспользованных возможностях развития гидроэнергетики в пределах Оршано-Могилевского плато. В пределах Полесского района создание водохранилищ в энергетических целях практически невозможно. Здесь наиболее вероятна установка энергетических установок на уже существующих водохранилищах для выработки электроэнергии и ее последующего использования для покрытия нужд самого гидротехнического комплекса.

При анализе изменения внутригодового распределения стока для по­лучения сравнимых данных все графики среднемесячных расходов воды были преобразованы в относительные хронограммы месячных объемов воды, выраженных в процентах годового объема стока.

Полную характеристику изменения режима внутригодового распределения стока может дать сравнение вероятностей появления долей среднемесячных расходов воды в характерные периоды года в естественном и зарегулированном состоянии реки. Однако длина исходных выборок позволяет определить только момент первого порядка — математическое ожидание соответствующих долей, оцененное по значе­нию среднего за весь период наблюдения. Сравнение проводилось по осредненным за многолетние наблюдения хронограммам относительных среднемесячных расходов воды (выраженных в % годового объема стока). При наличии наблюдений и в нижнем, и в верхнем бьефе сравнение проводилось за период эксплуатации водохранилища. В случае, когда наблюдения велись только в нижнем бьефе, отбирались выборки, если имелся достаточно длинный ряд наблюдений до постройки водохранилищ и за период его эксплуатации. В результате проводилось сравнение естественного и измененного режимов стока в нижнем бьефе водохранилища. Но поскольку разбивка исходной выборки на два периода приводит к уменьшению точности осреднения по каждой, выводы в этих случаях могут оказаться приближенными. Анализ обобщенных хронограмм среднемесячных расходов воды позволил оценить степень перераспределения речного стока в сезонном разрезе для различных типов водохранилищ.

В целом для малых водохранилищ ГЭС лесной зоны характерно не­значительное перераспределение речного стока в течение года. Однако в районах неустойчивого увлажнения при многочисленной сети различных водоемов проявляется заметное их влияние на режим речного стока. В зоне с повышенной увлажненностью и с модулями стока более 5 л/с км²), даже густая сеть водоемов мало сказывается на перераспределении стока во времени. Это перераспределение резко затухает вниз по течению реки, и она быстро восстанавливает естественный режим.

Наиболее отчетливо результат регулирования проявляется в снижении относительной доли стока за тот месяц, когда проходит основная доля стока при естественном режиме. Для рассматриваемой территории в основном максимальная величина стока падает на март — апрель.

Возрастание объема стока за летний период проявляется менее четко, так как сработка водохранилища осуществляется обычно в течение пяти - шести, а иногда и более месяцев. При малой величине полезногообъема водохранилища (водохранилище Саковщинской ГЭС, др.) изменение внутригодового распределения стока происходит вследствие естественной изменчивости исследуемого процесса.

В случаях наиболее значительного перераспределения внутри стока (при долях α полезного объема водохранилищ от годового стока порядка 1 – 2) изменение доли стока, приходящейся на месяц с максимальными значениями, достигает порядка 20 %. Основное влияние регулирования проявляется в марте-апреле в результате снижения доли стока в этих месяцах и увеличения доли стока в месяц, предшествующий максимуму, за счет осуществления предполоводной сработки водохранилища. Поскольку анализировались относительные хронограммы среднемесячных расходов и, следовательно, исключен фактор водности, результаты получаются сравнимыми как за отдельные годы, так и по объектам различной водности, расположенным в разных природных зонах.

Относительные хронограммы месячных объемов стока в нижнем бьефе водохранилища Заславской ГЭС, осуществляющего неполное годовое регулирование р. Свислочь, показывают коренное изменение характера внутригодового распределения стока после создания водохранилища. До регулирования стока его максимальная доля (22,5 %) приходилась на март, в зарегулированием состоянии на март падает наименьшая доля – 5 %. Заметим, что на июнь до регулирования приходилось всего 4,6 % годового объема стока, а после создания водохранилища июньский сток увеличился до 10 % годового.

Рис. 9.3. График суточных расходов воды рек в нижнем бъефе водохранилищ в естественном (1) и зарегулированном (2) режимах: а – Чигиринское, б – Осиповичское водохранилище

Езерищенское водохранилище, созданное на базе озера, обладает значительной регулирующей способностью. Отношение годового объема стока к полезному объему равно 0,18. В связи с этим отмечаются заметные изменения во внутригодовом распределении стока после создания водохранилища — доля месяца с максимальным стоком (апрель) уменьшилась в среднем на 13 %.

Преобразование гидрологического режима реки при наличии водо­хранилища суточного регулирования наиболее ярко проявляется в уве­личении суточной амплитуды колебания расходов воды. На рис. 9.3 показаны графики суточных колебаний расходов воды до и после создания водохранилища.

Для количественной оценки изменения гидрологического режима ис­пользовались гистограммы распределения суточных амплитуд расходов воды по пунктам в верхнем и нижнем бьефе водохранилища как за период до строительства водохранилища, а также во время его эксплуатации. Аналогичные построения дают четкое количественное представление о происшедших изменениях в режиме зарегулированной реки. Массовый анализ материалов позволяет получить рекомендации прогностического характера о будущем режиме реки. Был проанализирован ряд подобных хронограмм суточных расходов воды и соответствующих им гистограмм повторяемостей суточных колебаний расходов воды в реке при естественном режиме колебания стока и в условиях регулирования водоемами суточного регулирования. На рис. 9.4 приведен пример подобных кривых распределения суточных колебаний.

При проектных разработках на основе анализа гистограмм можно получить оценочные величины возможных увеличений суточных амплитуд колебания расходов воды в нижних бьефах проектируемых гидро­электростанций.

Таким образом, малые и средние водохранилища ГЭС сезонного и многолетнего регулирования стока претерпевают довольно значительные изменения во внутригодовом распределении речного стока по сравнению с малыми суточного и недельно-суточного регулирования.

По характеру и глубине влияния водохранилищ лесной зоны на режим стока они подразделяются на четыре группы. Первая и самая многочисленная группа представлена малыми водохранилищами ГЭС (объемом менее 30 млн. м³ каждое). Для них характерно соотношение между полным и полезным объемами порядка 2/3. Коэффициент вместимости, определенный отношением полезного объема к среднемноголетнему годовому объему зарегулированного стока, имеет широкий диапазон: 0,06 – 0,50 %. Большинство ГЭС этих водохранилищ законсервировано.

Вторая группа охватывает водохранилища с полным объемом от 30 до 50 млн. м³. Этот тип водохранилищ оказывает уже значительную роль в изменении характера внутригодового распределения речного стока. Наиболее отчетливо результат регулирования проявляется в снижении относительной доли стока за тот месяц, когда проходит основная доля стока при естественном режиме. Для лесной зоны это март-апрель. Повышение же доли стока за летний период выражено менее четко, так

Рис.9.4. Изменение гидрологического режима малых рек в связи с созданием ГЭС: а — совмещенный график внутригодового распределения стока до (2) и после (1) создания водохранилища Заславской ГЭС (р. Свислочь); б - гистограммы распределения вероятностей р суточных колебаний расходов воды в естественном (1) и зарегулированном (2) состоя­нии р. Ошмянки (водохранилище Рачунской ГЭС)

как сработка водохранилища осуществляется обычно в течение пяти - шести, а иногда и более месяцев. Четвертую группу образуют водохранилища ГЭС озерного типа. Отличаясь большими полными объемами воды, этот тип водоемов имеет достаточно малые призмы сработки, составляющие менее 20 % полного объема. Водохранилища этого типа также оказывают заметное влияние на изменение режима речного стока. Изменение потерь воды на испарение для этого типа водохранилищ невелико из-за незначительного увеличения площадей водного зеркала по отношению к естественному состоянию озер (ГЭС «Дружба народов», «Путь к коммунизму», Браславская ГЭС и др.).