ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ АСПЕКТЫ ПРАВИЛ УПРАВЛЕНИЯ ВОДОХРАНИЛИЩАМИ КОМПЛЕКСНЫХ ГИДРОУЗЛОВ (использованы материалы методических указаний «АССОЦИАЦИИ ГИДРОПРОЕКТ» - презентация

1 ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ АСПЕКТЫ ПРАВИЛ УПРАВЛЕНИЯ ВОДОХРАНИЛИЩАМИ КОМПЛЕКСНЫХ ГИДРОУЗЛОВ (использованы материалы методических указаний «АССОЦИАЦИИ ГИДРОПРОЕКТ» и действующих методических указаний) Зав. кафедрой комплексного использования ФГОУ ВПО МГУприродообустройства Раткович Л.Д. Аспирант кафедры Русакова П.А.

2 Актуальность и направление исследований Правила управления многих водохранилищ России разработаны более 50 лет назад. За это время изменился режим и объем водопотребления, устарели критерии удовлетворения требований к воде, вырос приоритет экологических проблем, появились возможности для исследования функционирования водохозяйственных систем с использованием компьютерных технологий. Предпринятые доработки и уточнения «Правил использования водных ресурсов водохранилищ» не решают в полной мере накопившиеся проблемы, по - существу требуется разработка новых проектов. Сейчас такие работы ведутся применительно к десяткам крупных гидроузлов, поэтому Особую актуальность приобретают вопросы методологии составления «Правил использования водных ресурсов» и методики управления водными ресурсами в процессе регулирования стока.

3 Существующая методология управления водохранилищными гидроузлами Обычно для условий эксплуатации ( как нормальной, так и пускового периода) разрабатываются диспетчерские правила (графики). Следует отметить, что при анализе эксплуатационного варианта возможно уточнение параметров гидроузла и (или) расчетных показателей вектора водоотдачи. Диспетчерские правила, представляют собой сочетание правил обеспечения гарантированных требований, своевременного опорожнения емкости водохранилища для аккумулирования паводка и использования избыточных стоков. Это позволяет определить отдачу из водохранилища в конкретных гидрологических условиях, где существенную роль играет прогноз предстоящего периода года (водохранилища ВКК, Цимлянский гидроузел). При многоцелевом использовании водохранилищ удовлетворение в полном объеме требований всех компонентов и отраслей хозяйства во все годы практически невозможно. Поэтому режим использования водных ресурсов представляет собой, как правило, компромиссные решения, при которых неизбежны ущемления в тех или иных размерах интересов всех или части компонентов водохозяйственной системы (ВХС) для достижения максимального эффекта в целом. Наиболее сложно согласовать интересы компонентов ВХС при эксплуатации каскадов гидроузлов

4 История вопроса и юридические особенности Согласно «Положению по эксплуатации водохранилищ объемом более 10 млн. м3» МПР России, М., 1999, к моменту сдачи объекта в промышленную эксплуатацию должны быть разработаны и утверждены «Правила использования водных ресурсов водохранилища», в которых подробно регламентируется режим работы гидроузла. В соответствии с Водным кодексом Российской Федерации использование и охрана водных ресурсов водохранилищ осуществляется в соответствии с требованиями, согласованными с заинтересованными органами исполнительной власти субъектов Российской Федерации, со специально уполномоченными государственными органами в области охраны окружающей природной среды, государственным органом санитарно-эпидемиологического надзора, государственным органом управления использованием и охраной рыбных ресурсов и другими заинтересованными органами управления. Основным документом, регламентирующим режим наполнения и сработки водохранилищ, порядок пропуска половодий и паводков, размеры попусков в нижний бьеф гидроузла, являются «Правила использования водных ресурсов водохранилищ». «Правила» подлежат пересмотру по мере накопления опыта эксплуатации, изменения водохозяйственной обстановки, экологических требований к режиму использования стока, но не реже, чем один раз в лет. Как разработка, так и пересмотр «Правил» требуют выполнения значительного объема специальных расчетов, от качества и достоверности результатов которых зависит эффективность и безопасность функционирования объекта. Для составления «Правил» на заключительном этапе проектирования или перед сдачей гидроузла в промышленную эксплуатацию, как правило, достаточно исходных данных, содержащихся в проектных материалах. На более поздних этапах разработки «Правил» исходная информация должна быть дополнена и/или уточнена. Основным документом, регламентирующим принципы и методы управления стоком рек с максимально возможным учетом интересов водопользователей и безопасности подпорных сооружений гидроузла, населения и хозяйства в его нижнем бьефе, в настоящее время являются «Основные правила или Основные положения правил использования водных ресурсов» водохранилищ. Вновь составляемые или пересматриваемые документы именуются «Правила использования водных ресурсов». История разработки и применения «Правил» насчитывает около четырех десятилетий. В конце 1950-х гг. было разработано, а в 1961 г. – утверждено «Положение о порядке использования водных ресурсов водохранилищ РСФСР (Госводхоз РСФСР. РВ-1-61). В нем указывалось, что «руководящим документом по использованию водных ресурсов водохранилищ в нормальных эксплуатационных условиях должны быть «Основные положения правил использования водных ресурсов» конкретного водохранилища. В 1960-е гг. были разработаны «Основные положения правил» десятков водохранилищ, в том числе крупнейших: Волжско-Камского и Ангаро-Енисейского каскадов гидроузлов, Цимлянского гидроузла на р.Дон и других. Из последних документов основным являются методические указания по разработке «Правил использования водных ресурсов водохранилищ.

5 Экологические требования и их учет в «Правилах использования водных ресурсов водохранилищ» Воздействие водохранилищ гидроузлов электростанций на окружающую среду в процессе эксплуатации в значительной степени определяется режимом использования водных ресурсов. Необходимость поддержания в удовлетворительном санитарном состоянии воды в реке зачастую противоречит оптимальному использованию водных ресурсов в интересах других компонентов. Например, принятый в проекте режим использования водных ресурсов Камского водохранилища на р. Каме и Куйбышевского водохранилища на р.Волге в межень является оптимальным для гидроэнергетики. Однако он в настоящее время изменен с целью обеспечения постоянных в течение суток санитарных попусков в нижние бьефы гидроузлов, при отсутствии которых под действием вызванных ветром противотечений в водозаборные сооружения попадали сточные воды нижележащих населенных мест и промышленных предприятий. В целях предотвращения истощения водных ресурсов и деградации водных экосистем предельно допустимый объем ежегодного безвозвратного изъятия воды из водохранилища (в сумме с потерями воды на дополнительное испарение) не должен превышать (10 – 20) % от среднемноголетнего годового стока реки в створе гидроузла. Во избежание негативных явлений, обусловленных зимней сработкой водохранилища, следует ограничить для верхних слоев водохранилища (до 5 м) скорость сработки до 0,3 м/сутки. Более глубокие слои должны срабатываться со скоростью не более 1 м в сутки. При пропуске половодья (или паводка) через створ сооружений с форсировкой уровня воды водохранилища над НПУ образуется зона временного затопления. При этом необходимо учитывать, что согласно СНиП , застроенные жилыми и общественными зданиями территории должны иметь отметки не менее чем на 0,5 м выше наивысшего уровня воды повторяемостью один раз в 100 лет (обеспеченность 1%). Регулирование уровней воды в водохранилище и в нижнем бьефе гидроузла при пропуске половодий и паводков вероятностью превышения 1% и более должно проводиться из условий незатопления территорий жилых застроек. Пропуск через гидроузел половодий и паводков вероятностью превышения менее 1% должен рассматриваться как чрезвычайная ситуация и осуществляться при эвакуации людей из зон временного затопления. Зоной временного затопления в верхнем бьефе для сельскохозяйственных и лесных угодий считается территория между НПУ и уровнем воды, на 0,5 м превышающем уровень воды в половодье (паводок) вероятностью превышения 5%. Основные экологические требования по нижнему бьефу гидроузла сводятся к обеспечению расходов воды, гарантирующих бесперебойную работу питьевых водозаборов, благоприятные условия для культурно- бытового водопользования населения и сохранность биоценозов. минимальный санитарный попуск должен быть не меньше минимального среднесуточного расхода воды в реке при бытовом гидрологическом режиме летней и зимней межени года 95% обеспеченности минимальный расход воды зарегулированных рек должен соответствовать установленному гарантированному расходу воды в нижнем бьефе гидроузла с обеспечением кратности разбавления сточных вод в контрольном створе водопользования до нормативов, установленных для данного водного объекта. Ведомственный документ МПР России «Временные методические рекомендации по установлению минимально допустимых расходов воды в реках для оценки возможных изъятий водных ресурсов», выдвигает аналогичные требования к минимально допустимым расходам воды в реках. Кроме того, требуется промывка и обводнение поймы в весенний период расходами не менее 20% объема стока половодья года (75-95)%

6 Вопросы использования водохранилищ для противопаводковой защиты Проблема определения противопаводковой роли проектируемых и существующих водохранилищ РФ и необходимость ее специального рассмотрения при разработке или пересмотре «Правил» связана как со значительными ущербами от наводнений, особенно в нижних бьефах крупных гидроузлов, так и с вынужденным отклонением от проектного режима работы отдельных гидроузлов и их каскадов. В нижних бьефах некоторых крупных гидроузлов проводилось (и, по- видимому продолжается) интенсивное освоение и застройка пойменных земель, которые в естественных (до постройки плотин) условиях затоплялись каждые 3-5 лет. Для предотвращения затопления этих территорий в относительно невысокие половодья приходится резко снижать сбросные расходы воды путем форсировки уровня водохранилищ сверх НПУ, что согласно проектам гидроузлов 1-го и 2-го классов и правилам использования водных ресурсов их водохранилищ допускается лишь в экстремальные половодья (повторяемостью один раз в 1000 и лет).

7 Методология разработки «правил использования водных ресурсов» Разработка правил управления крупными водохранилищными гидроузлами – это сложная многофакторная проблема, которая решается при участии специалистов разного профиля. Опыт российской водохозяйственной школы нашел отражение в многочисленных монографиях и проектных документах, однако в ряде случаев нет должного обобщения и требуются дополнительные методические разработки. Широкие возможности для развития методической базы связаны с дальнейшим внедрением компьютерных технологий. Далее представлена попытка систематизации методических подходов к построению системы «Правил» в виде проекта электронного редактора. Под электронным редактором понимается программная оболочка для разработки «Правил», включающая функциональные, информационные и управляющие блоки. Блок-схема редактора представлена на слайде 8. Такой документ может оказать серьезную помощь при составлении (либо корректировке) «Правил …», поскольку он содержит саму последовательность позиций, данные о задачах каждого раздела, освещает состояние рассматриваемого вопроса, нормативную базу, методику решения, литературные источники. Редактор создается для облегчения задач, решаемых составителями «Правил», регламентации формы и содержания этого документа. Он должен учитывать как многолетний опыт составления и использования «Правил» для водохранилищ энергетического и комплексного назначения, так и современные положения Российского водного законодательства. Представляемый материал является первым шагом в решении проблемы, являясь по -существу постановкой задачи. Необходима компьютерное обеспечение, то есть создание электронной оболочки и насыщение информационной базы редактора. Существенным преимуществом редактора является возможность его постоянного расширения, как в части решаемых задач, так и в плане методики их решения.

8 БЛОК-СХЕМА ЭЛЕКТРОННОГО РЕДАКТОРА ПРАВИЛ УПРАВЛЕНИЯ ВОДНЫМИ РЕСУРСАМИ ВОДОХРАНИЛИЩ 1. Вид ВХС 1.1. Комплексный гидроузел 1.2. Каскад гидроузлов 2. Перечень разделов 2.1. Объемы и режим водо- потребления 2.2. Требования экологии 2.3. Геофизические исходные данные 2.4. Водохозяйствен ные расчеты 2.5. Диспетчерские правила управления 2.6. Гидравлический расчет 4. Компиляция разделов документа «Правил» и создание модуля общей пояснительной записки в электронном виде с выходом в: 4.1. Приложения к «Правилам»4.2. Имитационную модель водохозяйственной системы 3. Формирование пакета приложений к «Правилам» Состояние вопроса Нормативная база Методика решенияЛитературные источники Выбор программных модулей Макет технической записки Методология

9 Аспекты управления Позиция 4.2 на блок – схеме касается имитационной водохозяйственной модели, которая является основой как для проектирования мероприятий, так и для эксплуатационных условий. В свою очередь один из основных элементов модели составляют правила управления. Ядром правил являются диспетчерские графики. Крупные водохранилища страны работают, опираясь на диспетчерские графики. Для условий нормальной эксплуатации необходимы два графика – основной и вспомогательный. Основной определяет нормальную и пониженную гарантированную отдачу, а вспомогательный касается технологии назначения высоких попусков для поддержания экологического статуса водотока и обеспечения рыбохозяйственных попусков. В имеющейся литературе к сожалению нет описания методики построения вспомогательных графиков – в реальных проектах они задаются обычно в виде таблиц зависимости объема попуска от прогноза половодья и наполнения на начало половодья.

10 Алгоритм построения вспомогательных диспетчерских графиков Для формирования функции управления при назначения попусков разного уровня обеспеченности рассуждаем следующим образом При высокой корреляции между годовым стоком Гp и cтоком половодья Пp можно воспользоваться уравнением регрессии Пр - прогноз объема половодья обеспеченностью Р. Гр =

11 Функция управления Назначаемый объем попуска, а точнее его превышение над гарантированным в рамках диспетчерского графика, принимается как функция двух переменных – обеспеченности паводка Р и наполнения на начало водохозяйственного года ν. Графическая интерпретация данного методического подхода представлена на слайде 11 ΔU=F(P, v)

12 Функция управления ( превышения расчетного попуска ΔU) ΔU P0P0 PJPJ Pk Pk v v

13 Обозначения к слайдам (Г р – А – р V) - возможный попуск сверх гарантированного при пустом водохранилище на начало половодья (Г р – А) – то же при полном р - доля емкости, аккумулируемая паводком P( ) = (P 0, P, P k ) – прогнозируемая обеспеченность половодья P 0, P, P k - краевые обеспеченности при пустом, фактическом и полном водохранилище на начало половодья V – полезный объем водохранилища

14 Возможная аппроксимация функции управления В модель управления могут быть положены следующие зависимости, работающие на основе прогноза стока и наполнения водохранилища на начало половодья