Современные проблемы комплексного использования гидроресурсов

⇐ ПредыдущаяСтр 9 из 16Следующая ⇒

Водные ресурсы, и прежде всего речной сток, издавна используются одновременно для различных целей. В современных условиях водные ресурсы кроме энергетических целей (сооружение гидроэнергетических установок) используются также для водоснабжения промышленных предприятий и коммунального хозяйства, орошения земель, водного транспорта, лесосплава, рыбного хозяйства, здравоохранения и т. д.

Еще не так давно водные ресурсы многих районов страны превосходили водопотребление и водопользование отдельными отраслями народного хозяйства могло осуществляться независимо друг от друга. Постепенно в связи с бурным ростом водопотребления, приведших в ряде крупных регионов страны к определенной напряженности водного баланса, это положение стало противоречить задачам развития народного хозяйства страны. Стремление каждой отрасли водного хозяйства получить для себя наибольшую экономическую выгоду, не сообразуясь с потребностью в воде других отраслей, перестало отвечать требованию наибольшей экономической эффективности для народного хозяйства в целом. Планирование развития и управление каждой отраслью в отдельности без должной связи с целями и условиями функционирования других отраслей приводили к серьезному нарушению материального баланса и даже дезорганизации производства. Нарушались требования по охране водных ресурсов и окружающей среды.

Все это потребовало определенной централизации в планировании развития и управлении деятельностью отдельных водопотребителей и водопользователей.

Участники водохозяйственного комплекса, которые используют воду как вещество и изымают ее из данного водоисточника, называются водопотребителями. Эта вода по истечении некоторого времени, иногда достаточно длительного, может вновь поступить в водооборот, но уже, как правило, в другом бассейне. При этом многие водопотребители возвращают воду значительно худшего качества.

Участники комплекса, которые полностью или почти полностью возвращают воду после использования без понижения ее качества (например, ГЭС) или совсем ее не изымают из водотока (например, водный транспорт), называются водопользователями.

Начало комплексному использованию водных ресурсов положено ленинским планом ГОЭЛРО. Водохранилища, построенных по этому плану такие ГЭС, как Волховская, Днепровская, Нижнесвирская и ряд других, не только служили целям гидроэнергетики, но и одновременно способствовали улучшению и развитию водного транспорта и водоснабжения некоторых промышленных предприятий и населенных пунктов.

Опыт показывает, что сооружение того или другого гидроузла будет экономически всегда более эффективно, если при этом одни и те же водные ресурсы одновременно будут удовлетворять потребность не только той отрасли народного хозяйства, для которой в первую очередь построен данный гидроузел, но и ряд других отраслей, т. е. экономически комплексное использование водных, ресурсов всегда выгоднее, чем использование их для какой-либо одной цели.

Большинство участников ВХК удовлетворяет свои потребности в воде с помощью водохранилищ гидроэлектростанций. Поэтому водохранилище каждой ГЭС практически имеет всегда комплексное назначение. Водные ресурсы как уже не раз подчеркивалось выше, велики, но не безграничны. Поэтому вода должна расходоваться каждым ВХК так, чтобы обеспечить наибольший экономический эффект для народного хозяйства в целом, а не какой-либо отдельной отрасли. Однако практическое достижение этого условия встречает немалые трудности. И причиной этому служит, прежде всего то, что интересы отдельных участников ВХК часто противоречат друг другу и удовлетворение их невозможно без компромисса. Так, в результате расхода воды из водохранилищ на орошение, водоснабжение и шлюзование судов уменьшается сток, используемый для выработки электроэнергии ГЭС. Водный транспорт заинтересован в поддержании судоходных глубин в нижнем бьефе ГЭС в навигационный период, и, кроме того, в это же время требуется дополнительная вода для целей орошения, если последняя забирается ниже створа ГЭС. Значит, обе эти отрасли будут требовать от ГЭС повышенных расходов воды летом, как раз тогда, когда энергетика в связи с сезонным спадом спроса на электроэнергию и снижением естественных расходов воды в реке стремится сберечь ее в водохранилище, так как она будет остро необходима в период осенне-зимнего пика нагрузки. Таким образом, в этот период воды может не хватить для одновременного удовлетворения требований водного транспорта и ирригации.

Во время половодий энергетика и необходимость борьбы с наводнениями требуют задержания в водохранилищах возможно большей части стока; для рыбного хозяйства тех рек, нижние участки которых служат местами нереста рыб, необходимо, чтобы часть объема весеннего половодья расходовалась на обеспечение условий для прохода рыб к нерестилищам и их затопление. Это приводит к значительному снижению энергетической эффективности ГЭС.

Имеются и другие противоречия, включая внутриотраслевые и режимные, когда требования водопользователей и водопотребителей не совпадают с естественным режимом водотока.

Достижение оптимального народнохозяйственного эффекта в этих условиях с учетом минимального воздействия на окружающую среду, случайного характера режима речного стока и поддержания заданного уровня надежности эксплуатации сооружений и оборудования комплекса является задачей очень сложной. В основе ее решения лежат так называемые методы многоцелевой оптимизации, требующей определенных вполне обоснованных уступок в удовлетворении требований отдельных компонентов комплекса.

Современные сложные многоцелевые водохозяйственные комплексы, охватывающие нередко своим влиянием большие территории, вместе с тем обычно имеют очень сложные и прочные связи со смежными отраслевыми системами и способствуют более эффективному размещению и использованию производительных сил и планомерной организации охраны окружающей среды. Такими системами прежде всего являются энергетические, а затем транспортные (судоходство и лесосплав) и др. Это обстоятельство дополнительно усложняет задачу оптимального использования водных ресурсов в условиях ВХК.

В РФ действует несколько крупных комплексных гидроузлов. В большинстве их ведущая роль принадлежит энергетике (Волжский, Камский, Днепровский, Ангарский, Енисейский и другие каскады ГЭС). На дальневосточных реках Зее и Бурее наравне с энергетикой большое значение придается борьбе с наводнениями. Примером крупнейшего ВХК служит Волжско-Камский каскад ГЭС, суммарный полезный объем водохранилищ которого составляет около 90 км³. Зарегулированный этими водохранилищами сток перераспределяется внутри года в соответствии с требованиями энергетики, судоходства, рыбного и сельского хозяйства. Полная мощность ныне действующих 11 ГЭС каскада составляет около 11 000 МВт, что позволяет ежегодно вырабатывать более 40 млрд. кВт-ч дешевой электроэнергии.

Волжская вода в настоящее время используется для орошения более 200 тыс. га. По всей длине реки от Калинина до Астрахани установлена глубина не менее 3, 25 м, что позволяет значительно увеличить грузооборот и создать наиболее дешевый транспортный путь в европейской части страны. Исключительное значение для обширной территории имеют волжские воды для водоснабжения населения и промышленности.

При таком многоцелевом характере водопользования и огромном его значении для народного хозяйства в нем остро проявляются противоречия между отдельными компонентами. Так, удовлетворение требований рыбного и сельского хозяйства в весенний период вызывает необходимость значительных дополнительных неэнергетических расходов воды, вызывающих ухудшение режимов работы трех нижневолжских ГЭС, в результате чего на них теряется выработка электроэнергии за этот период до 3 млрд. кВт-ч. Из-за покрытия потребностей сельского хозяйства в воде за счет усиленной сработки волжских водохранилищ в теплый период года уменьшается зимняя, т. е. наиболее ценная, выработка электроэнергии гидроэлектростанций и снижаются их располагаемые зимние мощности. Кроме того, при такой сработке водохранилищ снижаются также необходимые глубины для водного транспорта.

Регулирование речного стока

Речной сток в нашей стране крайне неравномерно распределен как во времени, так и по территории. Это значительно затрудняет его использование, поскольку оно приводит к возникновению противоречий между спросом на воду и возможностью его удовлетворения в нужном месте и в нужное время.

Так, для энергетических целей в многолетнем разрезе предпочтителен равномерный режим стока, а он в каждом году различный. В годовом разрезе гидроэлектростанции предъявляют повышенный спрос на воду в осенне-зимние месяцы, а в это время расходы воды в реке наименьшие. В суточном разрезе график нагрузки ГЭС отличается значительной неравномерностью, тогда как приточность наиболее энергоемких равнинных рек в течение суток обычно почти неизменна. График цикла регулирования приведен на рисунке 4.6.

Подобные противоречия возникают и при удовлетворении нужд других пользователей.

Что же касается распределения речного стока по территории, в пределах РФ есть территории, страдающие как от недостатка воды, так и от ее избытка.

Рис. 4.6 - График цикла регулирования

Отсюда вытекает необходимость перераспределения естественного стока во времени, а при надобности — и по территории, с тем чтобы наилучшим образом удовлетворить потребность в воде как заинтересованных отраслей, так и их отдельных объектов. Такое перераспределение осуществляется с помощью регулирования стока водохранилищами, в которых задерживается избыточный естественный приток в то время, когда он превышает спрос потребителей, и расходуется, когда этот спрос больше притока.

Таким образом, регулирование стока — это процесс перераспределения его водохранилищем в соответствии с требованиями водохозяйственного комплекса.

Такое регулирование обычно осуществляется водохранилищами ГЭС. Суммарный полезный объем регулирующих речной сток водохранилищ в России составил около 350 км³. Необходимость регулирования стока совпадает с интересами таких водопотребителей, как коммунальное хозяйство городов, промышленность, теплоэнергетика, сельскохозяйственное водоснабжение и обводнение пастбищ. А на реках с высоким половодьем и низкой летней меженью регулирование стока водохранилищами ГЭС отвечает еще и интересам крупнейшего во-допотребителя—орошаемого земледелия, которое, как известно, использует наибольшее количество воды именно в период летней межени. В летние месяцы водный транспорт требует повышенных расходов воды для поддержания необходимых судоходных глубин.

Регулирование стока водохранилищами гидроэлектростанций имеет важное значение для поддержания санитарных условий в реке ниже ГЭС: повышаются меженные расходы воды, улучшается проточность, что способствует активизации процессов самоочищения рек. Однако резкое снижение скоростей течения на подпертых участках рек и застойные явления в водохранилищах влекут за собой неблагоприятные изменения в гидробиологических процессах и сопутствующие им явления: ухудшение качества воды, развитие сине-зеленых водорослей и т. д.

Все большее развитие в водохозяйственной практике получает регулирование речного стока для предотвращения катастрофических наводнений, вызываемых резким повышением речного стока в период весенних половодий или дождевых паводков. Действенным мероприятием по борьбе с наводнениями является создание на реках специальных водохранилищ, которые сохраняются свободными до наступления высоких половодий или паводков. После наполнения и срезки ими высокого половодья или паводка они освобождаются, чтобы создать возможность «срезки» повторной волны высокого стока рис. 4.6. Наиболее рациональной является комбинированная схема регулирования, когда на реке создается водохранилище большого объема, позволяющие решить обе задачи — регулирование стока в интересах обеспечения нужд водопотребителей и борьбы с наводнениями. Это позволяет снизить затраты, необходимые для строительства гидроузла. Гидроузлами такого типа являются Краснодарский на Кубани и Зейский в бассейне Амура.

Степень зарегулированности стока определяется относительным объемом водохранилища (коэффициентом объема). Этот коэффициент определяется отношением полезного объема водохранилища К_п_олезн к среднему за многолетний период объему годового стока в створе плотины W_.

Различают регулирование водноэнергетическое и водохозяйственное. При водноэнергетическом регулировании осуществляется перераспределение стока для энергетических целей. Оно позволяет в конечном счете получить требуемый режим работы ГЭС, а отсюда и режим выработки электроэнергии. Мощность ГЭС, как нам уже известно, является функцией не только расхода, но и напора, поэтому процесс водноэнергетического регулирования связан с учетом обеих величин. При водохозяйственном регулировании напор не является регулируемым параметром и регулируется лишь расход. В этом основное отличие водноэнергетического регулирования от водохозяйственного.

Режим мощности ГЭС и режим выработки ею электроэнергии диктуются не только спросом потребителей, но и тем, насколько экономично этот спрос удовлетворяется, т. е. с каким расходованием энергоресурсов (или денежных затрат на них) покрывается заданный график нагрузки энергосистемой, в составе которой находится данная ГЭС. Поэтому водноэнергетическое регулирование неотделимо от определения оптимальных режимов ГЭС в энергосистеме.

При комплексном использовании водотока, когда последний предназначен для удовлетворения как энергетических, так и неэнергетических целей, осуществляется комплексное регулирование, т.е. регулирование напора и расхода для ГЭС и только расхода для других водопользователей и водопотребителей.

Таким образом, при любом виде регулирования потребители воды в некоторые периоды времени работают с расходом воды, превышающим приток, а в другие периоды расходуют воды меньше притока. В первом случае происходит сработка водохранилища, во втором — наполнение.

Промежуток времени от начала какого-либо одного периода сработки водохранилища до начала следующего (после очередного его заполнения) называется циклом регулирования.

Период аккумуляции речного стока называется наполнением водохранилища, а период отдачи наполненной воды сработкой водохранилища.

Нормальным подпорным уровнем (НПУ) называется максимальный уровень воды, при котором ГЭС и все сооружения гидроузла могут работать сколь угодно длительно. Объем водохранилища при отметке НПУ называется полным объемом. Минимальный уровень водохранилища, до которого возможна его сработка при нормальной эксплуатации, называется уровнем мертвого объема (УМО). Ниже этого уровня возможна лишь аварийная сработка водохранилища.

Объем воды между НПУ и УМО называется полезным, так как этот объем используется при регулировании стока в нормальных условиях эксплуатации.

Объем воды, находящийся ниже УМО, называется мертвым, так как он не используется в нормальных условиях эксплуатации.

При прохождении расхода очень редкой повторяемости (катастрофический паводок), существенно превышающего пропускную способность ГЭС и водосбросных сооружений, уровень воды в водохранилище повышается выше НПУ. Максимально возможный уровень воды в водохранилище по условиям надежности сооружений называется форсированным подпорным уровнем (ФПУ). Объем водохранилища между отметками ФПУ и НПУ называется резервным. Он используется только для трансформации (срезки) половодий редкой повторяемости. Резервный объем должен быть сработан до НПУ сразу же по прошествии половодья.

Длительность цикла регулирования определяет его разновидность, в соответствии с чем различают краткосрочное и длительное регулирование. К первому виду относят суточное и недельное регулирование, а ко второму — сезонное, годичное и многолетнее. При водноэнергетическом регулировании - энергоэкономическая эффективность каждого из них, как увидим из дальнейшего изложения, будет различной.

Рассмотрим основные виды водноэнергетического регулирования.

Различают основные и специальные виды регулирования стока.

К основным видам регулирования стока относят: суточное, недельное, годичное и многолетнее.

Суточное регулирование предназначено для обеспечения неравномерного расхода воды через агрегаты ГЭС в соответствии с требованиями суточных колебаний нагрузки энергосистемы при сравнительно постоянном в течение суток притоке воды. При суточном регулировании цикл регулирования составляет одни сутки и к концу цикла уровень воды в верхнем бьефе возвращается к исходному положению — УМО. Уровень воды в нижнем бьефе будет соответствовать поступающему расходу в нижний бьеф. Благодаря суточному регулированию в часы малой нагрузки ГЭС в верхнем бьефе запасается избыточный приток, а в часы повышенной нагрузки он срабатывается. Если объем водохранилища достаточен для аккумулирования всего избыточного притока, то этот весь приток используется для увеличения мощности ГЭС по сравнению с мощностью ГЭС при только естественном притоке.

Суточное регулирование позволяет повысить участие ГЭС в покрытии пиков нагрузки и обеспечить более целесообразный равномерный режим работы тепловых и атомных электростанций.

Следует отметить, что режим работы ГЭС с увеличенной мощностью не сопровождается увеличением выработки электроэнергии. Наоборот, если бы ГЭС работала без регулирования на естественном стоке, ее выработка была бы больше.

На режим суточного регулирования ГЭС иногда накладываются ограничения неэнергетических участников комплексного гидроузла (судоходство, рыбное хозяйство, водозабор в нижнем бьефе и т.п.).

Недельное регулирование обеспечивает неравное потребление воды агрегатами ГЭС в течение недели в соответствии с требованием недельных колебаний нагрузки энергосистемы. В выходные дни нагрузка в энергосистеме падает. В этот период ГЭС может снизить свою мощность, а получающийся избыток воды аккумулируется в водохранилище. В рабочие дни ГЭС может увеличить мощность за счет сработки запасенных в водохранилище объемов воды.

При недельном регулировании режим работы ГЭС с увеличенной мощностью, как правило, не сопровождается увеличением выработки электроэнергии. Выработка электроэнергии может увеличиться только в случае сокращения холостых сбросов воды за счет емкости водохранилища. На режим недельного регулирования ГЭС могут также накладываться ограничения неэнергетических участников водохозяйственного комплекса.

Годичное регулирование позволяет перераспределять сток воды в течение года в соответствии с потребностями энергосистемы и водопотребителей. Цикл регулирования равен 1 году. В многоводные периоды водохранилище наполняется, а в маловодные — срабатывается. Для проведения годичного регулирования требуется объем водохранилища, составляющий 5—10 % среднегодового стока при частичном (сезонном) и 40—60 % при полном годичном регулировании.

Водохранилище годичного регулирования позволяет осуществлять суточное и недельное регулирование.

Многолетнее регулирование предназначено для увеличения расхода ГЭС и выработки электроэнергии в маловодные годы за счет стока многоводных лет. При многолетнем регулировании водохранилище наполняется в течение ряда многоводных лет и срабатывается в течение маловодного периода.

Особенностью многолетнего регулирования является непостоянство длительности цикла регулирования. При многолетнем регулировании возможно увеличить гарантированную мощность ГЭС и выработку электроэнергии за счет сокращения или ликвидации холостых сбросов воды.

Рассмотрим некоторые специальные виды регулирования.

Компенсирующее регулирование производится верховым водохранилищем каскада ГЭС, чтобы компенсировать неравномерность притока с промежуточного водосбора между створами водохранилища и ГЭС. Возможно производить компенсирующее регулирование ГЭС, расположенных на разных водотоках, но объединенных единой энергетической системой. Например, водохранилище Братской ГЭС производит компенсирующее регулирование выработки энергии ГЭС Ангаро-Енисейского каскада.

Контррегулирование, или перерегулирование, расходов воды, поступающей от выше расположенной ГЭС. Например, ниже по течению за Саяно-Шушенской ГЭС построено контррегулирующее водохранилище Майнской ГЭС, которое выравнивает расходы воды, поступающей от Саяно-Шушенской ГЭС.

Трансформация паводков и половодий производится водохранилищем с целью задержки пиковой части паводка и уменьшения наводнения на реке ниже водохранилища.

Аварийное использование водохранилища ГЭС предусматривает его сработку при аварии в электроэнергетической системе. В этом случае ГЭС принимает на себя дополнительную нагрузку до ликвидации аварии. После ликвидации аварии в энергосистеме сработанный объем восстанавливается за счет снижения нагрузки ГЭС или за счет ближайшего по времени паводка.

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8910 11 12 13 Следующая ⇒