2.9. Комплексное использование и охрана водных ресурсов

Еще на заре цивилизации, создавая водохранилища, древние строители предусматривали их комплексное использование для защиты от паводков, орошения, водоснабжения, судоходства.

Социально-экономическое значение водохозяйственных комплексов. Комплексное использование водных ресурсов остается основополагающим принципом при строительстве гидроэнергетических объектов во всех странах мира в настоящее время. Комплексное использование водохранилищ позволяет эффективно решать глобальные проблемы, которые особенно остро встали перед человечеством в настоящее время и связаны с обеспечением водой населения, промышленности, сельского хозяйства, борьбой с наводнениями, с применением экологически чистых источников электроэнергии, таких как возобновляемые гидроэнергетические ресурсы. Динамика роста водопотребления в мире (табл. 2.10) характеризуется увеличением в целом объема водопотребления за последние 25 лет практически в 2 раза.

Водохранилище с гидроузлом и участок нижнего бьефа, в пределах которого сказывается влияние изменения гидрологического режима, а также все гидротехнические, защитные и природоохранные сооружения образуют водохозяйственный комплекс (ВХК). ВХК может объединять каскад гидроузлов на реке.

Существует множество примеров определяющего влияния ВХК на развитие экономики и социальной сферы многих стран, хотя их создание воспринимается обществом неоднозначно с учетом наблюдаемого отрицательного влияния на окружающую среду.

Так, создание ВХК на основе Асуанского водохранилища на р. Нил в Египте объемом 168,9 км3оказало многостороннее положительное влияние на социально-экономическое развитие страны, позволило оросить более 0,8 млн.га земель, увеличило выработку электроэнергии в стране на 10 млрд. кВт·ч, защитило долину Нила от разрушительных наводнений и риска засух, улучшило условия навигации и туризма, создало условия для быстрого развития рыбоводства, в целом обеспечило улучшение условий жизни людей, особенно в сельской местности.

 

Таблица 2.10 Развитие водопотребления в мире

Примечание: в числителе дано полное водопотребление, в знаменателе – безвозвратное.

За счет создания каскада водохранилищ на Днепре полезной емкостью 18,4 км3, образующих единый ВХК, обеспечиваются водоснабжение населения, промышленности, орошение более чем на 50% территории Украины, включая межрегиональное перераспределение стока с подачей более 4 км3воды в маловодные регионы Донбасса, Кривого Рога, Крыма, а также выработка на ГЭС более 9 млрд. кВт·ч электроэнергии.

Для эффективного решения проблемы комплексного использования водных и гидроэнергетических ресурсов выбираются оптимальные параметры и режимы работы ВХК с учетом интересов всех водопользователей.

ВХК являются во многих случаях основой для решения целого ряда народнохозяйственных задач, включая развитие сельского хозяйства, промышленности, энергетики, коммунального хозяйства, рыбного хозяйства, транспорта, обеспечение отдыха населения, природоохранные мероприятия.

Основные задачи, решаемые ВХК для экономического и социального развития:

• регулирование стока водохранилищами комплексного назначения для гидроэнергетики, водоснабжения коммунального хозяйства, промышленности, сельского хозяйства, орошения, предотвращения наводнений, обеспечения санитарно-экологических попусков;
• использование водохранилищ для рыбного хозяйства, водного транспорта;
• использование водохранилищ и береговой зоны для целей рекреации.

Гидроэнергетика. Использование возобновляемых гидроэнергетических ресурсов является ведущим направлением многих ВХК, и во многих случаях именно ГЭС становятся основой создания ВХК, принимая на себя большую часть затрат, связанных с его строительством.

ГЭС и ГАЭС выполняют важнейшую роль в объединенных энергосистемах, обеспечивая покрытие наиболее сложной пиковой части графика нагрузок, заполнение ночных провалов, улучшение структуры генерирующих мощностей энергосистем, неся функции быстродействующего аварийного и частотного резерва энергосистем и в целом повышая надежность энергоснабжения.

Водоснабжение коммунального хозяйства, промышленности. Обеспечение водопотребления коммунального хозяйства и промышленности, составляющего около 40% суммарного водопотребления, является важнейшей задачей ВХК. За последние 25 лет водопотребление в мире на эти нужды выросло в 3 раза, значительно опережая его общий рост. Водоснабжение крупных городов, промышленности в большинстве стран преимущественно основывается на водохранилищах, учитывая, что для хозяйственно-питьевого водоснабжения требуется высокая расчетная обеспеченность расходов забираемой воды (для маловодного года равная 95%), а также крайне ограниченные ресурсы подземных вод, которые можно использовать для этих целей.

Проблема обеспечения постоянно растущего водопотребления населения и промышленности остается актуальной для большинства стран Западной Европы, Украины, России, Японии, многих регионов США, Китая, Индии, Бразилии и других стран.

В странах, где основная часть электроэнергии вырабатывается ТЭС и АЭС, на теплоэнергетику приходится до 50–80% водопотребления промышленности, например в США – 68%, в Японии – 57%, в ФРГ – 54%, а в Украине – до 80%.

Для технического водоснабжения ТЭС и АЭС в основном применяются оборотные системы, использующие специальные водохранилища-охладители или испарительные градирни, и редко прямоточные системы, включающие водотоки и водохранилища комплексного назначения, хотя они являются наиболее эффективными с позиции обеспечения максимальной выработки электроэнергии и уменьшения безвозвратного водопотребления. Это связано с ограничениями, предъявляемыми нормативами большинства стран к изменению температуры воды в водохранилищах комплексного назначения при использовании прямоточных систем, а в ряде случаев – с запрещением применения прямоточных систем. Так, для технического водоснабжения ТЭС мощностью 1 млн. кВт в среднем необходимо 0,9 км3воды в год, основная часть (90–95%) которой используется для охлаждения конденсаторов турбин, а для АЭС – в 1,5 раза больше.

Водоснабжение сельского хозяйства, орошение и обводнение. Одним из основных водопользователей является орошение совместно с сельскохозяйственным водоснабжением. Их водопотребление составляет около 60% общего водопотребления и более 80% безвозвратного водопотребления. Во все времена страшными стихийными бедствиями наряду с наводнениями были сильные засухи, когда каменела, трескалась от зноя земля и сгорали на корню хлеба, обрекая на голод и смерть сотни тысяч людей. В исторических документах имеется множество сведений о катастрофических засухах. О засухе, поразившей Русь в 1374 г., в летописи пишется: «были сильный зной и жара, а дождя сверху не было, ни единой капли за все лето и был сильный мор на людей по всей земле русской и у Мамая в Орде был сильный мор». Опустошительные засухи были в бассейне Днепра в 1652 и 1680 гг., когда «…стояла страшная сушь и спека солнечная, повысыхали воды и травы».

В Поволжье (Россия) засухи повторяются раз в 2–3 года. Самой страшной здесь была засуха в 1921 г.

Орошение земель для повышения урожайности сельскохозяйственных культур широко применяется в мире во многих странах (Китай, Индия, США, Россия, Украина, Болгария, Румыния, Узбекистан, Туркмения, Турция, Иран, Египет, Израиль, Алжир, Вьетнам и др.) в различных климатических условиях, в засушливых районах и в районах с влажным климатом, учитывая неравномерность осадков как в течение года (например мокрый и сухой сезоны в районах влажных тропиков), так и в многолетнем разрезе (например в Украине).

Динамика развития орошаемого земледелия характеризуется увеличением площадей орошаемых земель за период с 1970 по 2000 г. следующим образом: в целом в мире с 234 до 420 млн. га (в 1,8 раза), в том числе в Азии – со 170 до 300 млн. га, в Европе – с 21 до 45 млн. га, в Северной Америке – с 25 до 35 млн.га, в Южной Америке – с 7 до 15 млн.га, в Африке – с 9 до 18 млн. га.

Вид на Волжское (Куйбышевское) водохранилище

В условиях быстрого роста площадей орошаемых земель их водообеспечение осуществляется в значительной мере за счет регулирования стока водохранилищами. Их вклад в мировое производство продуктов питания оценивается в 12–16 %.

Весьма актуальной является проблема снижения безвозвратных потерь воды на орошение, что может быть достигнуто за счет широкого применения современных водосберегающих технологий, уменьшения потерь на фильтрацию в оросительных каналах при устройстве облицовок и др.

Защита от наводнений. История человечества знает немало катастрофических наводнений, приводивших к затоплению огромных территорий и неисчислимым бедствиям, гибели людей, уничтожению городов, деревень, посевов.

Еще в древние времена защита от наводнений во многих случаях была важнейшей задачей создаваемых водохранилищ.

Как свидетельствуют исторические документы, наводнение на Днепре и его притоках в 1128 г. «…потопи люди, жито и хоромы унесе…».

В наше время в 1931 г. было большое наводнение на реке Днепр, вероятность повторения которого – один раз в 300 лет. Катастрофическое половодье на Волге в 1979 г., когда приток в Волжское (Куйбышевское) водохранилище достигал 52 тыс.м3/с, только благодаря водохранилищам не принесло неисчислимых бед.

Подъемы уровней в реках при наводнениях вызываются разными причинами. Во многих странах (в Западной Европе, России, Украине, Казахстане, Узбекистане, Турции, Иране, части территории Китая, Канаде, США и др.) наводнения происходят в результате быстрого таяния снега или ледников в бассейне рек, выпадения обильных осадков. Так, катастрофическое наводнение в бассейнах рек Огайо и Миссисипи (США) в январе 1937 г. охватило огромную территорию, свыше 1 млн. людей остались без жилья, несколько сот человек погибло. В результате катастрофических наводнений в бассейне р. Янцзы (Китай) в 1931 и 1935 г. было затоплено соответственно 3,и 1,5 млн.га и погибло 145 и 142 тысячи человек.

Шлюз на ГЭС «Три ущелья»

Рис. 2.16. Шлюз на Днепрогэсе

В период ледохода причиной наводнений могут быть загромождение русла льдом (заторы) или закупоривание русла скоплением внутриводного льда под неподвижным ледяным полем (зажоры), что особенно характерно для северных рек. Так, в мае 1982 г. уровень Иртыша у Омска (Россия) в результате затора поднялся почти на 8 м.

В районах муссонного климата (часть Китая, Вьетнам, Таиланд, Индия и др.) наводнения происходят в мокрый сезон летомосенью в результате выпадения обильных дождей в бассейнах рек.

Самым эффективным способом борьбы с наводнениями является регулирование стока водохранилищами с созданием в водохранилище противопаводковой емкости, которая заполняется в период паводка, или с повышением (форсированием) уровня водохранилища над нормальным подпорным уровнем во время пропуска паводка. Благодаря этому в период паводка резко уменьшается расход, сбрасываемый из водохранилища, по сравнению с притекающим в него, и соответственно снижается уровень воды в реке и сокращаются ущербы.

В Украине строительство каскада ГЭС на Днепре практически ликвидировало угрозу наводнений в его бассейне, а в районах Закарпатья, где на реках практически отсутствуют противопаводковые водохранилища, большие часто повторяющиеся наводнения наносят огромный ущерб.

Сооружение Зейской ГЭС (Россия) с большим водохранилищем полезным объемом 32,1 км3защитило долину р. Зея от разрушительных наводнений, при этом среднегодовой ущерб от наводнений уменьшился в три раза.

Регулирование паводков является одной из основных целей крупнейшей в мире ГЭС «Три ущелья» на реке Янцзы в Китае. Из общей емкости водохранилища 39,3 км3около 56% (22,2 км3) предназначены для срезки паводков.

Защита от наводнений является одной из важнейших экономических, социальных и природоохранных задач, решаемых водохранилищами.

Водный транспорт. Строительство водохранилищ во многих случаях позволяет создать на реках глубоководные внутренние водные пути для крупнотоннажных судов. При этом в состав гидроузлов входят судоходные шлюзы и судоподъемники, на крупных водохранилищах устраивают речные порты.

Внутренние водные пути многих стран реками и системами каналов связаны между собой, обеспечивая перевозку грузов без перевалок, включая морские порты. Так, по внутренним водным путям европейской части России грузы могут перевозиться из портов Каспийского моря в Балтийское и Белое моря, а также в Латвию и Финляндию.

В Украине после завершения строительства каскада днепровских ГЭС была создана глубоководная транспортная система длиной 870 км и появилась возможность использовать крупнотоннажные суда грузоподъемностью 3,5 тыс.т (рис. 2.16).

Рыбное хозяйство. Влияние крупных водохранилищ и гидроэнергетических объектов, создание которых существенно изменяет гидрологический, гидротермический, уровенный, скоростной,

гидробиологический, гидрохимический режимы рек, на рыбное хозяйство неоднозначно.

К основным отрицательным последствиям следует отнести:

• сокращение длительности и расходов половодья в нижнем бьефе гидроузлов в результате сезонного перераспределения стока, что приводит к уменьшению обводнения нерестилищ, особенно в маловодные годы;
• нарушение естественных условий с прекращением доступа полупроходных и проходных рыб к нерестилищам, расположенным выше гидроузла.

С другой стороны, существенные положительные факторы, такие как значительное увеличение площади водной поверхности и объема воды водохранилищ, расширение кормовой базы, позволяют многократно увеличить рыбные ресурсы.

Для эффективного рыбохозяйственного использования водохранилищ следует рационально вести рыбное хозяйство и предусмотреть необходимые мероприятия для минимизации отрицательных последствий. Для этого на многих крупных водохранилищах комплексного использования проводится зарыбление ценными породами рыб, создаются рыбопитомники, искусственные нерестилища, в состав гидроузлов включают рыбоподъемники и др.

Водохранилище Циллергрюндль (Австрия)

В случае комплексного использования водохранилищ при определении режимов их эксплуатации наряду с требованиями других водопользователей учитываются и требования рыбного хозяйства, в связи с чем могут вводиться, например, ограничения на режим работы ГЭС в период нереста, специальные рыбохозяйственные попуски и др.

Рекреационное использование. Водохранилища, играя существенную роль в организации отдыха населения, решают важную социальную задачу, так как отдых в благоприятной природной среде необходим человеку для духовного и физического развития, для полнокровной жизни. Выдающийся русский художник, мыслитель Н.К. Рерих (1874–1947) писал:

«Всякое общение с природой освящает человека…» На берегах водохранилищ комплексного назначения, особенно расположенных в равнинной местности, обычно находится много населенных пунктов, в том числе крупные города, и эти водохранилища широко используются для рекреационных целей. Характерным примером такого использования являются водохранилища Днепровского каскада ГЭС в Украине, Волжского каскада ГЭС в России, каскада ГЭС на р. Теннеси в США и др.

На водохранилищах в горных или отдаленных малонаселенных районах часто создаются специальные туристические и оздоровительные комплексы для длительного отдыха, которые пользуются большой популярностью, например в Австрии, Швейцарии, Италии, США, Японии и др.

При строительстве водохранилищ создается инфраструктура, включая дороги, инженерные коммуникации, выполняются природоохранные мероприятия (лесомелиоративные, озеленение прибрежной зоны, крепление берегов, строительство очистных сооружений и др.), а также благоустройство береговой зоны в пределах населенных пунктов, в том числе устройство гидропарков, пляжей, что способствует их рекреационному использованию.

В большинстве случаев водохранилища естественно вписываются в природные ландшафты, со временем становясь неотъемлемой частью природной среды.

Крайне важно при проектировании учесть особенности рекреационного использования водохранилищ, предусмотрев необходимые мероприятия и соответствующие режимы эксплуатации водохранилища, оптимальные рекреационные нагрузки на его акваторию и прибрежную зону, этапы и сроки рекреационного освоения.

При использовании для рекреации водохранилищ комплексного назначения возникают определенные сложности и противоречия между участниками комплекса, которые должны решаться при разработке оптимальных режимов эксплуатации водохранилищ.

Так, на период рекреационного использования водохранилищ вводятся ограничения на величины и скорость изменения уровней водохранилища (до 1,5–2 м в течение суток и скорость изменения – до 0,5 м в час), что может отразиться на режиме работы ГЭС и ГАЭС. Работа ГЭС в неравномерном режиме в разрезе суток при покрытии пиковой части графика может привести к значительным колебаниям уровней и скорости воды в нижнем бьефе, а сброс воды через агрегаты ГЭС из глубинных слоев водохранилища – к резким изменениям температуры воды. Для решения этих вопросов в ряде случаев меняется конструкция водоприемников ГЭС с обеспечением селективного забора воды, строятся регулирующие (буферные) гидроузлы, вводятся определенные ограничения на режим работы ГЭС и др. Так, в нижнем бьефе Саяно-Шушенской ГЭС (Россия) мощностью 6,4 млн. кВт построена регулирующая Майнская ГЭС, обеспечивающая равномерные попуски в реку. Следует отметить, что эти проблемы значительно смягчаются в условиях работы каскада ГЭС.

В качестве эффективного использования водохранилищ для рекреационных целей можно привести опыт США, где во второй половине ХХ в. начался настоящий рекреационный бум. Количество средних и крупных водохранилищ, используемых для этих целей, стремительно росло, и уже в 1987 г. имелось более 1100 таких водохранилищ (как комплексного назначения, так и специальных для рекреации), обеспеченных разветвленной рекреационной инфраструктурой. При этом доход от рекреационного использования водохранилищ комплексного назначения часто превышал доход, получаемый от других водопользователей.

При наличии соответствующих условий рекреационное использование водохранилищ комплексного назначения позволяет существенно повысить его экономическую эффективность, социальную значимость и увеличить количество сторонников реализации проекта.

Обеспечение санитарно-экологических попусков. Важнейшее природоохранное и социальное значение имеет обеспечение гарантированных санитарно-экологических попусков из водохранилищ в меженные периоды маловодных лет. Такие попуски возможны при осуществлении водохранилищами сезонного или многолетнего регулирования, учитывая, что естественный сток рек распределяется внутри года крайне неравномерно. Так, в странах Западной Европы, Украине, России, США, Канаде и других на период половодья (2–3 месяца) приходится более половины годового стока. При этом в меженный период особенно маловодных лет из-за резкого уменьшения расходов (в 20–50 раз по сравнению со среднемноголетним) может не обеспечиваться нормальная работа хозяйственно-питьевых водозаборов, резко ухудшается качество воды, создается сложная экологическая и санитарно-эпидемиологическая обстановка. Например, среднесуточные расходы р. Южный Буг (Украина) в створе с. Александровка в меженный период маловодных лет уменьшались до 2,6 м3/с в отдельные сутки при среднемноголетнем расходе 96 м3/с.

Использование водохранилищ комплексного назначения является практически единственным способом обеспечить гарантированный расход в реке в меженные периоды маловодных лет не ниже санитарно-экологического попуска.

Особенности комплексного ис4 пользования водохранилищ ГЭС. Вода занимает особое место среди природных ресурсов, она используется абсолютно во всех циклах производства и естественноприродного воспроизводства, во всех сферах жизнеобеспечения живой материи, являясь во все времена важнейшим фактором, определяющим жизнь людей. Первоисточником всего сущего считал воду древнегреческий философ Фалес Милетский (около 625–547 гг. до н.э.). В наше время выдающийся ученый академик В.И. Вернадский писал:

«Вода стоит особняком в истории нашей планеты. … Все земное вещество… ею проникнуто и схвачено». К водным ресурсам относятся пресные воды, которые формируются стоком рек, запасами озер, водоемов, разведанных подземных вод, доступных для использования, а также морские воды.

Использование водных ресурсов является основополагающим фактором экономического и социального развития большинства стран. При этом наибольший народнохозяйственный эффект достигается при комплексном использовании водохранилищ, исходя из интересов всех водопользователей, с учетом влияния на окружающую среду и прилегающие территории в зоне водохранилищ и в нижнем бьефе. При этом чем больше функций выполняет водохранилище, тем рациональнее использование водных и земельных ресурсов, тем более эффективным и оправданным с позиции общества становится его создание.

ГЭС «Три ущелья». Пропуск паводка через водосливную плотину

Проблема комплексного использования водохранилищ ГЭС является чрезвычайно сложной во всех водохозяйственных, социально-экономических, экологических аспектах, учитывая во многом противоречивые требования водопользователей – участников ВХК, многообразие природных условий и влияния на окружающую среду. Задача оптимизации ВХК должна решаться в интересах всех водопользователей, исходя из прогнозов развития соответствующих отраслей хозяйства, на этапе проектирования при выборе местоположения и параметров водохранилища, состава сооружений гидроузла и природоохранных мероприятий, условий и сроков подготовки ложа и заполнения водохранилища, режимов эксплуатации водохранилища и гидроэнергетического объекта.

Во многих случаях ведущим участником водохозяйственного комплекса является гидроэнергетика, но режимы эксплуатации определяются с учетом интересов других участников ВХК, охраны окружающей среды, ущемляя в определенной мере эффективность гидроэнергетики.

Учет часто противоречивых интересов участников ВХК, включая распределение водных ресурсов водохранилища между ними в различные периоды в течение года и особенно в маловодные годы, режимы попусков из водохранилищ, уровенные режимы в водохранилище и в нижнем бьефе, – это всегда поиск разумного компромисса, основанного на достижении максимального социально-экономического эффекта и обеспечении экологических требований. Исходя из этих условий, разрабатываются правила эксплуатации ВХК, на основе которых осуществляется фактический режим его работы с учетом реально складывающейся ситуации.

С учетом интересов гидроэнергетики целесообразно уровень водохранилища сохранять высоким в течение года, т.е. поддерживать НПУ для работы ГЭС с максимальными напорами; водохранилища сезонного и многолетнего регулирования срабатывать в маловодные годы только в период максимальных нагрузок в энергосистеме (в осенне-зимний период в большинстве стран Европы и др.) и наполнять в период паводков до НПУ; осуществляя суточное регулирование, сбрасывать воду через агрегаты ГЭС только в периоды прохождения пиковой зоны графика нагрузок.

Забор воды на орошение и водоснабжение из водохранилища, расход воды на шлюзование судов вызывают уменьшение стока, проходящего через ГЭС, а в маловодные годы для обеспечения орошения приводят к частичной сработке водохранилища в период минимальных нагрузок в энергосистеме (в летний период для стран Европы и др.).

Равномерные попуски в нижний бьеф, такие как санитарно-экологические, ирригационные, сельскохозяйственные (например для затопления пойменных лугов), попуски для поддержания необходимых судоходных глубин, а также недопущение резких колебаний уровней в нижнем бьефе в навигационный период приводят к частичной работе ГЭС в базовой части графика нагрузок.

Борьба с наводнениями требует сработки водохранилища в пределах противопаводковой призмы перед паводковым периодом, а с учетом требований рыбного хозяйства необходимы значительные рыбохозяйственные попуски в период весеннего половодья для обеспечения затопления нерестилищ полупроходных и проходных рыб в поймах рек, что при определенных условиях не позволяет заполнить водохранилище до НПУ. С другой стороны, глубокая сработка водохранилища в зимний период может привести к гибели рыбы. Так, специальные попуски в период весеннего половодья в интересах рыбного и сельского хозяйства для обеспечения полноводного режима затопления поймы в низовьях Волги снижают выработку на ГЭС Волжского каскада.

Наряду с ростом потребления воды происходит во многих случаях увеличение сброса в водоемы неочищенных сточных вод, содержащих большое количество загрязняющих веществ, отбор воды сверх нормируемого объема. Охрана водных ресурсов от загрязнения и истощения, минимизация отрицательных воздействий на окружающую среду являются важнейшей задачей ВХК. Требования по охране водных ресурсов в большинстве стран регламентируются законодательством, в Украине таким законом является Водный кодекс Украины. Мероприятия, направленные на охрану водных ресурсов, включают строительство очистных сооружений, использование водосберегающих технологий, замкнутых систем водоснабжения, создание водоохранных зон.

Международные аспекты использования водных ресурсов. Многие реки протекают по территории нескольких государств. При использовании водных и гидроэнергетических ресурсов рек, текущих вдоль границ государств, или бассейнов рек, расположенных на территории разных государств, существует практика двухсторонних и многосторонних межгосударственных соглашений. При таком подходе на основе общего плана можно обеспечить наиболее эффективное использование водных и гидроэнергетических ресурсов с соблюдением требований по охране окружающей среды, исходя из принципов справедливости, взаимных интересов государств-участников и международных правовых норм. Примерами такого международного сотрудничества являются совместное строительство Бразилией и Парагваем ГЭС Итайпу на р. Парана, совместное использование пограничных рек США и Канадой, США и Мексикой, работа международной комиссии по р. Меконг в Юго-Восточной Азии.

Неурегулированность вопросов совместного использования водных и гидроэнергетических ресурсов рек, односторонние действия государств, вызывающие изменение водного режима в бассейне реки и соответственно серьезные последствия в сопредельных странах, могут привести к конфликтам, нанести ущерб окружающей среде.

Плотина ГЭС Итайпу на р. Парана