Бабкин В.И.: Схема регулирования пропуска половодий согласно СНиП и схеме треугольника Д.И. Кочерина

К сожалению, схема расчета Д.И. Кочерина применялась только для предварительных расчетов трансформации половодий и дождевых паводков. При более подробном анализе оказалось, что в этой на вид простой схеме заложен глубокий смысл.

Она по своей сути представляет собой схему замещения  уравновешенной на предельных значениях параметров системы, в которую входят параметры площади водосбора, водохранилища,  водосброса, нижнего бьефа и расход воды через турбины ГЭС, работа которых надежно гарантирована.

Очевидно, что для данной схемы справедливы следующие уравнения:

W = W_и + V_тр + V_x (4)                      Q_макс = Q_и + Q_тр + Q_х (5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

где V_x – расчетный объем холостых сбросов воды (треугольник 134); T – расчетная величина периода половодья, измеряемая длиной отрезка 0 – 5; T_тр – период заполнения объема V_тр, измеряемый длиной отрезка 1 – 4; T_x – расчетный период холостых сбросов воды, измеряемый длиной отрезка 1 – 4; Q_тр – максимальная величина расхода, на которую трансформируется (снижается) Q_макс.

Поскольку система уравновешена на предельных значениях параметров, следовательно, их на выходе системы  уменьшать нельзя без соответствующего снижения параметров на входе. Если равновесие системы нарушается, то безопасность гидроузла нельзя гарантировать. Именно в этом заключается весь смысл расчета безопасности гидроузла. Эта простая схема в полной мере соответствует всей идеологии регулирования стока воды. По ней расчет идет по средним значениям расходов притока, аккумуляции и сброса воды, то есть в полном соответствии  закону природы  “золотая середина”.

Известно, что гидрограф наперед узнать невозможно. По наблюдавшимся ранее гидрографам видно насколько они сложны: частые пики расхода сменяются провалами (многофакторная зависимость).

Сложнейшие процессы формирования стока воды на площади водосбора, зависящие от многочисленных факторов, и не менее сложный процесс трансформации, усредняются внутри треугольников без изменения конечного результата в точках 3, 4, 5. Пик половодья или дождевого паводка (точка 2) может отклоняться влево и вправо без изменения конечного результата. В самой схеме расчета уже заложен резерв безопасности (заштрихованные треугольники на рисунке 1).

По схеме треугольника весь процесс регулирования идет в две последовательно идущие стадии (но никак не параллельно!). Это главное условие регулирования и его нарушать нельзя.

Первая стадия  соответствует периоду заполнения полезного объема водохранилища, когда трансформируется (снижается) максимальное значение расхода притока воды (пик) в половодье до допустимого по условиям нижнего бьефа значения  (также пика) расхода (точка 3 на рисунке 1). Вторая стадия регулирования  начинается после заполнения полезного объема водохранилища с расходом воды, равным расходу притока воды, вплоть до максимального  расчетного  расхода воды  в нижний бьеф.  Если расход притока воды  превышает допустимое значение расхода воды в нижний бьеф, то разрешается заполнять резервный объем водохранилища. Тогда начинается третья дополнительная стадия регулирования, которая идет до стабилизации нормального подпорного уровня (НПУ). Резервный  объем водохранилища опоражнивается быстро для трансформации максимального расхода притока воды в дождевой паводок до допустимого расхода воды в нижний бьеф.

В настоящее время признается, что расчеты регулирования стока приходится производить, распространяя на будущее характеристики стока прошедшего периода, и обосновывается такое тем, что многовековые изменения климата, ландшафта и стока происходят крайне медленно, поэтому могут не учитываться в период срока службы водохранилища. Считается возможным на будущее перенести средние величины, общие характеристики изменчивости стока и т.п.

Принято считать, что проектные расчеты позволяют выяснить возможные режимы работы водохранилища, но не могут установить будущий календарный срок наступления того или иного режима. Расчеты годичного и многолетнего регулирования стока рекомендуется производить, пользуясь диспетчерскими графиками. При этом  принципиально не используются данные о будущем стоке, имеющиеся у проектировщиков при расчете по календарным рядам периода наблюдений. Тем самым проектные показатели работы водохранилищ как бы приводятся к реальным условиям эксплуатации. При наличии надежных прогнозов стока режим работы водохранилища может уточняться и эффективность регулирования стока должна повышаться. Идеальная схема регулирования основывается на предположении, что при годичном регулировании сток известен на год вперед, а при многолетнем регулировании – на несколько лет вперед.

К сожалению, достоверность прогнозов притока воды остается низкой. Не секрет, что максимальные расходы, как правило, проходят ночью, но пункты по учету стока на реках не обеспечены приборами и устройствами для регистрации истинно максимальных расходов в ночное время. По оценкам специалистов ошибки вычисления параметров статистического ряда величин максимальных расходов воды и слоев стока достигают 20%. Новые технологии пока не пришли в гидрологию.

Наводнения последних лет показывают, что изменения климата происходят быстрее и максимальные притоки воды могут сформироваться в любой год уже при жизни нашего и следующих поколений. За последние 150 лет температура в северном полушарии повысилась примерно на 0,8º С  и   продолжает резко расти. Новые знания о природе  привели к переоценке (повышению) угрозы от возможных землетрясений, например, в Саянских горах. Считается, что Енисей на 40% питают снега, на 37% – дожди и на 23% – подземные источники.  Землетрясение может резко увеличить выход подземных вод, который вместе с дождевым паводком вполне может наложиться на половодье. Недавно такое явление наблюдалось на Алтае. Во всяком случае, нет никаких оснований подвергать сомнению прежние расчеты максимальных расходов и объемов притока воды в водохранилища и можно только надеяться, что принятая в расчетах часть гидрографа половодья или дождевого паводка не окажется более сжатой по времени из-за наложения дополнительных факторов. В данной работе заведомо признается справедливость сведений проектировщиков, например, по створу Саяно-Шушенского гидроузла (таблица 1).

Таблица 1: Максимальные расходы воды (пики) для створа Саяно-Шушенской ГЭС, рассчитанные по результатам гидрологических наблюдений за 1908 – 1999гг. по методике Гидропроекта:

Обеспеченность	5%	1%	0,1%	0,01%	0,01% + Δ
Половодье, апрель-июнь, м3/с	10600	13300	17700	22600	25000
Дождевой паводок,  июнь-сентябрь, м3/с	6600	8400	11300	14600	16300

Саяно-Шушенский гидроузел как сооружение первого класса должен быть безопасным при пропуске расходов обеспеченностью 0,01% + Δ.

Возможно, для уникального гидроузла гарантийная поправка 11% к обеспеченности расхода притока воды 0,01% могла быть поднята до максимума 20% согласно СП 33.01-2003, п. 5.31, но это отдельная тема.

Если мы признаем расчеты гидрологов и справедливость приравнивания объема притока воды к площади треугольника и таким образом учитываем регулирующее влияние водохранилища при расчетах водосливных отверстий плотины, то по известным решениям треугольников (уравнения 4—11 предложены автором) можем определить и обязаны признать расчеты времени заполнения полезного объема водохранилища, времени проведения холостых сбросов воды, равного времени удержания НПУ, и времени работы турбин ГЭС со средним гарантированным расходом воды.

По известным параметрам: расходу и объему воды (треугольник 124) определяем время заполнения этого объема, а по соотношению объемов (треугольники 123 и 134) определяем время заполнения объема для трансформации половодья обеспеченностью 0,01% + Δ (треугольник 123). Это минимальное время заполнения является главным ориентиром всего процесса регулирования. Площадь треугольника 123 (объем водохранилища для заполнения водой) остается постоянной величиной, а площадь треугольника 134 (объем холостых сбросов воды) изменяется при различной обеспеченности расхода притока воды. Треугольник 123 в зависимости от обеспеченности расхода притока воды, то опускается вплоть до совмещения сторон 1-3 и 1-4 (объем холостых сбросов воды нулевой), то может подняться до максимума (максимальный объем холостых сбросов воды). Между этими крайними значениями времени заполнения полезного объема водохранилища может быть рассчитана и построена шкала времени, соответствующая максимальным расходам притока воды при различной обеспеченности. Смысл приравнивания (уравнение 7) T_тр = T_x состоит в определении крайних значений времени, то есть крайних точек отсчета времени. Если это время будет равно длине отрезка 1-4, то V_х = 0, если время минимальное, то холостые сбросы воды максимальные. Именно так появляется возможность корректировать процесс регулирования по средним значениям расходов воды и времени наполнения водохранилища, используя резерв безопасности.

В качестве примера такие  шкалы  времени заполнения  полезного объема водохранилища и проведения холостых сбросов воды построены в пределах сторон АВ и ОС на рисунке 2.

При строгом соблюдении среднего расхода воды через турбины ГЭС (площадь трапеции 0145) можно построить график заполнения водохранилища, который должен соответствовать кривой обеспеченности стока реки в течение расчетного периода половодья Т в створе гидроузла при не зарегулированном водотоке, например, как в створе Саяно-Шушенского гидроузла.

Схема треугольника как бы встроена в природу так, чтобы учтенный расчетом период времени Т определялся самой природой по притоку воды автоматически (период Т не привязан к календарю и остается неизменным при всех последующих расчетах!), а максимальное значение расхода притока воды (пик) всегда находилось в этом периоде и чтобы холостые сбросы воды (срезка пика трансформированного расхода в точке 3) всегда начинались на спаде притока воды, что в свою очередь является гарантией для трансформации дождевого паводка, который может наложиться на половодье и который, как правило, приходит неожиданно, поскольку трудно прогнозируется.

Если определены объем (площадь трапеции 0145) и расход воды через турбины ГЭС, работа которых надежно гарантирована в течение всего периода трансформации (снижения) расхода притока воды, то заполнение полезного объема водохранилища должно начинаться только при равенстве расхода притока воды расходу воды через турбины (точка 1 на рисунке 1).

Обычно при регулировании стока водохранилищем зарегулированный расход воды или мощность ГЭС гарантируются с соответствующей обеспеченностью. Обеспеченностью данной величины стока, расхода, напора, мощности называется относительное число случаев, когда наблюдается данная или большая величина. Обеспеченность выражается в процентах от общего числа случаев и определяется по числу бесперебойных лет или по общей длительности бесперебойной работы водопользователей и потребителей воды. При данном объеме водохранилища чем меньше гарантированная обеспеченность, тем больше зарегулированные расход и мощность ГЭС.  При выборе  установленной мощности ГЭС определяющее значение имеют расчетная обеспеченность среднесуточной мощности ГЭС и расчетная гарантированная обеспеченность, учитывающая параметры всех водопользователей и потребителей воды. Между ними имеется приближенная зависимость: где υ-относительное число дней энергетически напряженного, например зимнего периода года.

Такой подход к выбору установленной мощности ГЭС, когда полезный объем водохранилища представляется как неизбежная данность, определяющая все и вся, противоречит идеологии расчета безопасности гидроузла и его нижнего бьефа

Такой подход к разработке диспетчерских графиков регулирования, когда условия трансформации половодий и дождевых паводков, режим наполнения водохранилища и пропуска расходов воды определяются только на основе всестороннего и глубокого технического и экономического анализа, недостаточен для обеспечения безопасности гидроузла и его нижнего бьефа.

На первой стадии регулирования гарантированный средний расход воды через турбины ГЭС должен выдерживаться всегда в течение времени, определенного по уравнению (9). Иначе снизится точность определения расчетного времени. Он может включаться в расчет на второй стадии процесса регулирования стока воды.

Главная ошибка прежних расчетов заключается в отсутствии системного подхода, когда максимальные значения параметров площади водосбора, водохранилища, водосброса, нижнего бьефа и расхода воды через турбины ГЭС, работа которых гарантирована, не уравновешивались. В результате постепенно утрачивалось отношение к ГЭС как единственно эффективному регулятору в энергосистеме и ЕЭС, как к неснижаемому государственному резерву мощности. Приоритет отдается АЭС, ТЭС, за ГЭС надолго закрепляется понятие “долгострой”, мощность ГЭС остается недооцененной, цена электроэнергии не рыночной.

Только при уравновешенной системе автоматически самой природой создаются ориентиры для начала и окончания заполнения полезного объема водохранилища, для начала холостых сбросов воды при НПУ и окончания их при стабилизации НПУ после опорожнения резервного объема.

Эти ориентиры будут верны только при строгом соблюдении всех параметров расчета безопасности гидроузла, поэтому их следует знать и  сохранять любой ценой, иначе нельзя гарантировать собственную безопасность гидроузла и нижнего бьефа.

Вовсе не случайно СНиП 33.01-2003 “Гидротехнические сооружения. Основные положения”, п.п. 5.4.3 и 5.4.4 предельно четко и  однозначно предписывают: “Пропуск поверочного расчетного расхода воды должен осуществляться при наивысшем технически и экономически обоснованном форсированном подпорном уровне (ФПУ), а пропуск расчетного расхода воды для основного расчетного случая должен обеспечиваться, как правило, при НПУ”.

Мы признаем, что не можем определить будущий календарный срок наступления того или иного режима, но оказалось, что можем заранее определить продолжительность этого режима, максимальный расход и объем притока воды, который по расчету должен быть за это время.  Это  позволяет  своевременно принять необходимые меры для обеспечения безопасности гидроузла, например, использовать заложенный в самой схеме расчета резерв безопасности. Для этого в случае прогноза катастрофического притока воды или аварии в любой из составляющих уравновешенной системы (имеются в виду водосброс, ГЭС, схема выдачи мощности ГЭС и т. д.) вполне достаточно заблаговременно начать холостые сбросы воды (заштрихованные треугольники на рисунке 1). Только в этих случаях следует пользоваться резервом безопасности  и никак иначе.

Для обеспечения гарантии безопасности гидротехнического сооружения чрезвычайно важно знать не только саму суть идеологии регулирования, но куда важнее знать все параметры, учтенные в расчете, и четко отделять их от резервов безопасности, не учитываемых этими расчетами и используемых только в случаях прогноза катастрофического притока воды или  при авариях в какой-либо из составляющих уравновешенной системы.

Прежде всего, следует разделять по времени весь процесс регулирования на 2 стадии, следующие  последовательно одна за другой (но никак не параллельно!).

На первой стадии регулирования в случае прогноза катастрофического притока или аварии резервом безопасности может служить опорожнение водохранилища ниже уровня мертвого объема (УМО) и (или) включение в работу максимального числа турбин ГЭС для задержания начала заполнения полезного объема водохранилища.

На второй стадии регулирования резервом безопасности считается повышенный расход воды через турбины ГЭС и увеличенная пропускная способность водосброса по сравнению с Q_x. В расчет безопасности включается минимум расхода воды через турбины ГЭС или вовсе не включается. Но схема выдачи мощности ГЭС обязана быть выполненной на полную установленную мощность ГЭС, чтобы на второй стадии регулирования все турбины могли работать одновременно с максимальным расходом воды, снижать нагрузку на водосброс, использовать повышенный приток воды на выработку электроэнергии, сохраняя НПУ как можно дольше.

Но основным резервом безопасности схемы регулирования, в которой расчет идет по средним значениям расходов притока воды Q_макс / 2, трансформации Q_тр / 2, холостых сбросов Q_x / 2 является возможность заблаговременного начала холостых сбросов воды еще до заполнения V_тр (см. заштрихованные треугольники на рисунке 1, равные по площади). Иначе говоря, используется закон природы “золотая середина”.

Фактический гидрограф половодья можно определять по интерполяционной таблице объемов водохранилища, по времени заполнения этих объемов и сравнивать его средние значения с расчетными (проектными) гидрографами, то есть с линией 1-2 на подъеме расхода притока воды и с линией 2-3-4 на спаде расхода. Точка 2 в зависимости от обеспеченности расхода притока воды будет занимать соответствующее положение в пределах стороны 2-4. Это и будет дополнительным ориентиром при регулировании по времени заполнения полезного объема водохранилища.

Заведомо включать основной резерв в расчет безопасности нельзя, тем более нельзя включать, ориентируясь только   по скорости заполнения водохранилища, потому что:

• скорость наполнения только фиксирует ход процесса на данный момент времени и не может дать представления о перспективе, вероятности максимального расхода притока воды и определения момента начала холостых сбросов воды перемножаются, поэтому невозможно точно определить начало холостых сбросов воды и их конец, и как следствие – не заполнение или переполнение полезного объема водохранилища, превышение сбросного расхода и других расчетных параметров, увеличение частоты нарушения этих расчетных параметров, особенно в дождевой паводок;
• кажущаяся простота решения проблем таким путем создает видимость благополучия, приводит к ошибкам еще при проектировании гидроузлов, которые сложно, а порой и невозможно исправить.

Например, таким способом якобы компенсируется утрата для заполнения резервного объема водохранилища, снижаются НПУ и ФПУ. Это гораздо опаснее, чем не было бы этого объема вообще, потому что физически он остается и создает постоянную угрозу перегрузки сооружений, создает дефицит емкости, равный двум резервным объемам.

Снижение расчетного сбросного расхода воды в нижний бьеф таким же способом приводит к обустройству нижнего бьефа на пониженный расход воды, который на практике оказывается выше и приходит чаще.

При наличии водосброса с глубинным водозабором этот способ приводит к все более раннему началу холостых сбросов воды, с все более низкого уровня заполнения водохранилища.

В случае утраты пропускной способности такого водосброса при зарегулированном водотоке потребуется строить компенсирующий водосброс также с глубинным водозабором, что чрезвычайно сложно, а порой совсем невозможно сделать. И совсем другое дело, когда водоток не зарегулирован. Тогда хотя бы есть возможность исправить положение, построить дополнительный объем в верховье или на боковом притоке воды в водохранилище.

При заблаговременном начале холостых сбросов воды (точнее сказать преждевременном начале) сознательно задерживается заполнение водохранилища до НПУ. Если его удается заполнить, то при отсутствии резервного объема и максимальном расчетном расходе притока воды в дождевой паводок, превышающем допустимый расход воды в нижний бьеф, требуется немедленно начать понижать НПУ, транзитом сбрасывать объем притока с недопустимым по условиям нижнего бьефа расходом воды.

Регулирование по схеме треугольника Д. И. Кочерина автоматически работает на получение оптимального максимального объема холостых сбросов воды при обеспеченности 0,01% + Δ, а, следовательно, и при других обеспеченностях притока. Полезный объем водохранилища на первой стадии регулирования  заполняется без всяких опасений, а на второй стадии регулирования НПУ сохраняется максимально долго.

Расчеты показывают, что в идеале должно соблюдаться правило освоения реки с ее верховий и  равенство объема водохранилища для трансформации расчетного расхода притока воды в половодье объему холостых сбросов воды  V_тр = V_х.

Согласно уравнениям (4) и (5) объем холостых сбросов воды равен нулю при          W = W_и + V_тр, а расход холостого сброса нулевой при Q_макс = Q_и + Q_тр.

Если мы признаем Q_макс обеспеченностью 0,01% +Δ, W и T, и поменяем на рисунке 1 местами обозначения площадей треугольников 123 и 134 (именно так идет реальный процесс), то после определения объема и расхода воды через турбины ГЭС получим сниженный сбросной расход воды, допустимый по условиям нижнего бьефа. Оптимальным решением является равенство площадей треугольников 123 и 134 после определения площади трапеции 0145.

Предсказуемость конечного результата – отличительная черта вышеописанной схемы регулирования.

Безопасность гидротехнического сооружения – это его свойство, позволяющее обеспечить защиту жизни, здоровья и законных интересов людей, окружающей среды и хозяйственных объектов. Это емкое понятие требует для своего выполнения иных, чем прежде, подходов к решению комплекса старых и новых трудных проблем.

Например, правило освоения реки с ее верховий хотя и прописано в нормативных документах, но не стало обязательным для выполнения. Выбор варианта проекта осуществляется на основе сравнения технико-экономических показателей проектов. На практике это приводит к необходимости строительства сверхмощных водосбросов. По мере освоения реки возникает такая ситуация, когда равновесие нижерасположенной системы нарушает вышерасположенная система. Равновесие системы можно временно восстановить путем строительства специальных дополнительных водохранилищ в верховье реки или на боковом притоке воды в  водохранилище.

Эти объемы следует называть водохранилищами-регуляторами. Они должны строиться для исправления ошибок при проектировании водохранилищ специально для эксплуатируемых гидроузлов как неотъемлемая их часть, гарантирующая безопасность основного гидроузла и его нижнего бьефа, одновременно повышающая эффективность использования водотока на выработку электроэнергии и мощности и эффективность ранее созданного потенциала ГЭС. По мере освоения реки необходимость в этих объемах может отпасть.

По времени заполнения водохранилища-регулятора можно будет определить обеспеченность расхода притока воды и своевременно принять дополнительные меры безопасности. Очень важно подчеркнуть, что начало заполнения объема основного водохранилища в точке отсчета времени (точка 1 на рисунке1) будет определяться с большей точностью. Режим наполнения и опорожнения таких объемов полностью подчинятся действующему гидроузлу. Если объем основного водохранилища оказался меньше объема холостых сбросов воды при расчетной обеспеченности расхода притока, то водохранилище-регулятор заполняется в первую очередь (Саяно-Шушенский гидроузел), если больше (Красноярский гидроузел), то во вторую очередь.

Только тогда нижерасположенный гидроузел может без опасений оставлять перед началом половодья полезный объем основного водохранилища заполненным в пределах объема дополнительного водохранилища (можно повысить УМО), а вышерасположенный гидроузел может смело заполнять основное водохранилище до НПУ. Именно так следовало сразу поступать по Красноярскому и Саяно-Шушенскому гидроузлам.

Еще до начала проектирования было известно, что Красноярское водохранилище полезным объемом    30,4 км³ способно трансформировать половодье обеспеченностью 0,01% + Δ с 39000 только до 20000 м³/с, если турбины ГЭС в среднем будут пропускать 7200 м³/с, а Саяно-Шушенское полезным объемом 15,3 км³ с 25000 только до 15900 м³/с, если расход воды через турбины ГЭС составит 2300 м³/с. Эти расчеты выполнялись по схеме Д. И. Кочерина для не зарегулированных водотоков с площадей водосбора 288200 км² и 180000 км² соответственно ([1], стр. 3, 99).

Уже тогда было ясно, что после создания Саяно-Шушенского водохранилища Красноярское в маловодный год не заполняется в объеме 30,4 км³ и возникает чрезвычайно сложная проблема определения уровня водохранилища перед началом половодья (предполоводная сработка), ведущая к непредсказуемости всего процесса регулирования. Приоритет обязаны отдавать безопасности, а потому ежегодно полностью опоражнивать полезный объем до уровня мертвого объема (УМО – 225м).

Еще у нас есть что-то на эту тему:

1. В.И. Бабкин: Схема расчета пропуска паводков Д. И. Кочерина
2. Бабкин В.И.: Схема замещения уравновешенной системы в виде квадрата для расчета прохождения паводков
3. В.И. Бабкин: Фактически применяемая схема регулирования для Саяно-Шушенского, Красноярского и Зейского гидроузлов
4. В.И. Бабкин: Фактически применяемая схема регулирования для Саяно-Шушенского, Красноярского и Зейского гидроузлов
5. В.И. Бабкин: Теоретические основы регулирования речного стока воды