3.1. Каскади ГЕС

Найбільш ефективне використання водних і гідроенергетичних ресурсів досягається при будівництві на річках каскадів ГЕС, що утворюють єдиний водогосподарський комплекс. Принцип утворення на річках каскадів ГЕС є основоположним у всіх країнах.

Група ГЕС, розташованих за течією річки на деякій відстані одна від одної та пов'язаних між собою загальним водогосподарським режимом, утворює каскад. Головним завданням каскадів ГЕС є комплексне використання водних ресурсів.

Створення каскадів ГЕС забезпечує більш повне зарегулювання стоку й використання гідроенергетичних ресурсів, дозволяє в максимальній мірі погодити інтереси гідроенергетики та інших учасників ВГК, хоч ускладнюється їх взаємодія в умовах комплексного використання водосховищ каскаду. Однак, з іншого боку, полегшується подолання протиріч між ними, завдяки чому досягається збільшення потужності й виробітку ГЕС, можливість роботи ГЕС у піковій зоні відповідно до графіка навантажень у зв'язку з усуненням ряду обмежень по режиму попусків і рівнів у нижньому б'єфі та ін.
Мал. 3.1. Каскад ГЕС на р. Нарин (поздовжній профіль): 1 – Кампаратинська ГЕС №1; 2 – Кампаратинська ГЕС №2; 3 – Токтогульська ГЕС; 4 – Курпсайська ГЕС; 5 – Таткумирська ГЕС; 6 – Шамалдисайська ГЕС; 7 – Уч-Курганська ГЕС

Вибір оптимальної схеми каскаду ГЕС є складним багатофункціональним завданням, розв'язуваним на підставі техніко-економічного порівняння варіантів і аналізу екологічних наслідків, виходячи із природних умов, прогнозу розвитку соціально-економічних умов регіону.

Основним етапом, що визначає можливість і ефективність реалізації гідроенергетичного потенціалу річки, є розробка схеми застосування гідроенергетичних ресурсів, яка передбачає комплексне використання водоймищ. У схемі визначається оптимальна розбивка каскаду ГЕС, включаючи попереднє місце їх розташування й параметри, порядок будівництва ГЕС у каскаді та першочергові ГЕС.

При розбивці водотоку на щаблі, розміщенні ГЕС і встановленні їх основних параметрів визначальне значення мають природні умови в басейні ріки (гідрологічні, топографічні, геологічні), стан навколишнього природного середовища, стан і перспективи розвитку техногенного й соціального середовища й інші фактори. Виходячи із сукупності цих факторів, більш сприятливі умови забезпечуються при розміщенні ГЕС із великими регулюючими водоймищами в гірських і передгірських районах.

При розміщенні ГЕС із регулюючими водоймищами вище в каскаді вони забезпечують зарегульованим стоком усі нижче розташовані ГЕС каскаду, збільшуючи енергетичні показники, а також підвищення гарантованої водовіддачі споживачам на нижче розташованій ділянці ріки.

Таблиця 3.1. Дані про каскади ГЕС

Умовні позначки: Г – гідроенергетика; В – водопостачання; І – іригація; Р – рибне господарство; П – захист від повеней; С – судноплавство; Рек – рекреація.

Така схема використана на каскаді із семи ГЕС на р. Нарин (мал. 3.1), що протікає територією Киргизстана та Узбекистана. У цьому каскаді водоймища двох верхніх ГЕС – Кампаратинської № 1 (корисним об’ємом 2,2 км3, β=0,22) і Токтогульської (корисним об’ємом 14 км3, β=1,2), розташованих у гірських умовах, здійснюють основне регулювання стоку річки, а останні ГЕС каскаду – переважно добове регулювання. Дані про каскади ГЕС на великих річках у ряді країн світу наведено у таблиці 3.1.

У багатьох випадках створення каскадів ГЕС має визначальне значення в соціальноекономічному розвитку цілих регіонів.

Дніпровський каскад (Україна). Дніпро є найбільшою річкою України та третьою за величиною річкою Європи. Площа водозбору до створу нижнього ступеня каскаду – Каховської ГЕС – становить 482 тис. км2. Основні характеристики каскаду дано в таблиці 3.2.

Дніпровський каскад (мал. 3.2) має велике значення для народного господарства України. Його водоймища, і в першу чергу Кременчуцьке та Каховське, забезпечують сезонне регулювання стоку р. Дніпро. Корисний обсяг водоймищ становить 34% середньобагаторічного стоку Дніпра. ГЕС каскаду, сумарна потужність яких становить 3,67 млн. кВт, а вироблення електроенергії – близько 90% вироблення всіх ГЕС України, відіграють найважливішу роль в Об'єднаній енергосистемі України, покриваючи пікову частину графіка навантажень і забезпечуючи функції аварійного та навантажувального резерву.

Таблиця 3.2. Основні характеристики водоймищ і ГЕС Дніпровського каскаду

Завдяки його водоймищам забезпечується комунально-побутове, промислове та сільськогосподарське водопостачання найбільших промислових і сільськогосподарських регіонів країни (більш 50% території країни), у тому числі в таких віддалених, як Донбас і Кривій Ріг, за допомогою каналу Дніпро–Донбас із подачею 120 м3/с і Дніпро–Кривий Ріг з подачею 44 м3/с, забезпечення водою Криму. За рахунок водоймищ Дніпровського каскаду зрошується більше 1 млн.га земель у південних посушливих районах України та у Криму.

Каскад водоймищ забезпечує глибоководний шлях по Дніпру. Широко використовуються водоймища каскаду для рибного господарства, рекреації, тут щорічно відпочивають мільйони людей.

Мал. 3.2. Дніпровський каскад ГЕС (поздовжній профіль)

Дніпровський каскад експлуатується як єдиний ВГК з оптимізацією режиму роботи, що враховує інтереси всіх його учасників.

Волзько-Камський каскад (Росія). Волга є найбільшою річкою Європи. Площа водозбору становить 1,38 млн.км2.

Волзько-Камський каскад, що включає 11 великих водоймищ, один з найбільших у світі ВГК, охоплює величезну територію найважливішого економічного регіону Росії, де проживає третина населення та виробляється більше третини продукції, забезпечує водопостачання міст, промисловості, сільського господарства, зрошення та ін.

ГЕС каскаду потужністю близько 12 млн. кВт виробляють 40 млрд.кВт·год. Створено глибоководний шлях, на який припадає більше 75% річкових перевезень країни.

Водоймища каскаду дозволяють зросити близько 8 млн. га земель і обводнити 10 млн. га земель, забезпечують попуски для обводнювання Волго-Ахтубинської заплави, у водоймищах виловлюється близько 300 тис. центнерів риби. На водоймищах відпочивають десятки мільйонів людей.

Створення водоймищ призвело до затоплення близько 1 млн. га сільськогосподарських земель, погіршилися умови відтворення напівпрохідних риб у дельті Волги, утруднений прохід риби до нерестовищ. Як і на Дніпровському каскаді, скидання у водоймища неочищених стічних вод призводить до погіршення якості води, що є серйознішою проблемою цього найбільшого регіону країни.

Каскад на р.Теннессі (США). Великий регіон своїм розквітом багато в чому зобов'язаний освоєнню водних і гідроенергетичних ресурсів р. Теннессі. Теннессі – п'ята за витратою води ріка в США. Її водозбірна площа становить 106 тис.км2. Середньорічна витрата в гирлі дорівнює 1800 м3/с.

Водоймища каскаду регулюють стік і забезпечують захист від повеней, водопостачання, вироблення електроенергії в середньому 17 млрд. кВт·год. на рік на ГЕС потужністю 4 млн.кВт, судноплавство, рекреацію, рибне господарство, а також боротьбу з москітами та ін.

Каскад гідровузлів назавжди позбавив жителів долини річки від частих руйнівних повеней, забезпечив електроенергією й водою, що стало основою економічного розвитку цього раніше порівняно бідного регіону.

Водоймища стали одними з найбільш популярних зон відпочинку в США. У 1963 р. створено національний парк на площі 69 тис. га на території, обмеженій із трьох сторін водоймищами: двома найбільшими водоймищами Кентуккі на р.Теннессі та Барклей на р. Кемберленд.

Після створення водоймищ популяція риб збільшилася в 50 разів. Загальна площа сільськогосподарських земель у долині збільшилася в кілька разів.

Однієї з важких екологічних проблем була малярія, якою хворіла третина населення, що живе біля болотистих зон уздовж річки. Після утворення водоймищ і вживання необхідних заходів випадків захворювання малярією не було.