Раздел 2. Гидроэнергетические ресурсы, их использование. Принципиальные схемы, параметры, режимы работы ГЭС и ГАЭС

У природних умовах річки характеризуються вкрай нерівномірним розподілом стоку у багаторічному, річному й сезонному розрізах.

«Чудовий Дніпро у тиху погоду…» (М.В. Гоголь)

Регулювання річкового стоку є необхідною умовою раціонального використання річок і здійснюється водоймищами шляхом перерозподілу в часі обсягу природного стоку відповідно до вимог водокористувачів.

У природних умовах річковий стік формується під впливом наступних пов'язаних між собою факторів:

• кліматичних умов, включаючи опади, температуру, вологість повітря та ін.;

• ландшафту водозбірної площі (рельєфу, ґрунтів, інженерно-геологічних умов, рослинності);

• морфометричних і гідравлічних характеристик (розміри та конфігурація водозбірної площі та річкової мережі, ухили та будова русла та ін.).

З них головним фактором є кліматичні умови.

У сучасних умовах істотний вплив на формування річкового стоку також може робити господарська діяльність людини.

Стоком річки називають кількість води, що протікає річкою за певний відрізок часу: рік, сезон, місяць, тиждень, добу та ін. Витрата річки в м3/с характеризує інтенсивність стоку в той чи інший проміжок часу. Залежність між ними характеризується співвідношенням:

W=Q·t, де W – обсяг стоку за час t; Q – середня витрата за цей же проміжок часу.

Модуль стоку характеризується витратою води, що стікає за одну секунду з одиниці площі річкового басейну, і виражається звичайно у літрах за секунду з 1 км2 площі басейну.

 Мал. 2.3. Графік витрат р. Дніпро за ряд років Витрати й стік, що змінюються у часі й по довжині річки, збільшуються з ростом водозбірної площі й зазвичай досягають максимуму в гирлі річки.

Найважливішою характеристикою водного режиму річки є графіки внутрішньорічного розподілу витрат річки за роки спостережень. Наприклад, постійні спостереження на р. Дніпро ведуться з 1881 р.

На мал. 2.3 наведено графік витрат р. Дніпро за ряд років. Дніпро є типовою рівнинною річкою Європи з великими весняними повенями у результаті танення снігу й відносно невеликими витратами у наступний меженний період. Зазвичай на таких річках за 2–3 місяці повені проходить 60–70% річного стоку (мал. 2.4).

До основних параметрів стоку, визначених на основі даних багаторічного ряду спостережень, відноситься средньобагаторічна витрата

де n – кількість років спостережень, а обсяг середньобагаторічного стоку

Мал. 2.4. Гідрограф р. Дніпро біля м. Києва у 1999 р.

.

Мінливість річного стоку в багаторічному розрізі характеризується коефіцієнтом варіації Сv, який має різні значення залежно від нерівномірності стоку і являє собою відношення середньоквадратичного відхилення річних значень стоку ? до їх середньобагаторічного значення.

У випадку малозмінюваного стоку річок за період спостережень, наприклад річок, що витікають з озер, Сv може становити 0,15–0,25, а для річок посушливих районів, коли стік у маловодні й багатоводні роки різко відрізняється, Сv може становити 0,7–1,1.

Коефіцієнт асиметрії Сs характеризує несиметричність ряду досліджуваних величин стоку щодо їх середнього значення.

При визначенні максимальних витрат води користуються, як правило, співвідношеннями: для витрат поталих вод рівнинних річок Сs=2Сv; для змішаних і дощових витрат рівнинних річок Сs=3Сv – 4Сv; для змішаних і дощових витрат води гірських річок Сs=4Сv.

Регулювання стоку річки здійснюється водоймищами. Водоймища є штучними водоймами ємністю більш 1 млн.м3, утвореними на водотоці підпірними спорудами для регулювання стоку річки, створення запасу води й напору.

Ступінь регулювання стоку залежить від співвідношення корисного обсягу водоймища Vкор до об’єму середньобагаторічного стоку й нерівномірності розподілу природного стоку у часі (коефіцієнти Сv і Cs).

При відсутності даних спостережень за стоком річки використовують дані щодо річок-аналогів з урахуванням особливостей фізико-географічних умов, зміни площі водоскиду. Коефіцієнт обсягу регулювання водоймища ?, що приблизно характеризує ступінь регулювання, є відношенням корисного обсягу водоймища до обсягу середньобагаторічного стоку.

Розрахунки регулювання стоку ґрунтуються на хронологічних рядах натурних спостережень за природним стоком.

Завдяки регулюванню стоку водоймищами забезпечується можливість ефективного використання водних ресурсів для водокористування й водоспоживання.

Водокористування – використання води у межах водного об'єкту (гідроенергетика, водний транспорт, рибне господарство, санітарно-екологічні попуски, обводнювання заплавних земель і дельт рік, рекреація).

Водоспоживання – використання води з відводом від водного об'єкту (водопостачання населення, промисловості, сільського господарства, зрошення й обводнювання земель). До безповоротного водоспоживання відноситься водоспоживання без повернення води у водний об'єкт.

Важливою характеристикою водоспоживання є його забезпеченість. Вона показує протягом кількох років щодо всього хронологічного ряду при даному корисному обсязі водоймища встановлене водоспоживання забезпечується.

Розрахункова забезпеченість водоспоживання може бути визначена за наближеною формулою

або

де – розрахункова забезпеченість водоспоживання, в %; m – кількість років, протягом яких задовольняється встановлене водоспоживання (порядковий номер члена гідрологічного ряду спостережень, розташованого у спадаючому порядку).

Розрахункова забезпеченість зазвичай становить для господарсько-побутового водопостачання 95%, для ГЕС – 90–95%, для зрошення – 75–80%.

Для ГЕС розрахункова забезпеченість, наприклад Р=90%, характеризує ймовірність того, що вироблювана ГЕС електроенергія і її потужність будуть протягом 90% років дорівнювати розрахунковим величинам або перевищувати їх, і лише протягом 10% років (100-Р) будуть меншими розрахункових величин. Недовиробіток у ці роки електроенергії ГЕС повинна компенсуватися іншими електростанціями енергосистеми.

Виділяють наступні види регулювання річкового стоку, здійснюваного водоймищами ГЕС: багаторічне, річне або сезонне, тижневе й добове регулювання.

Водосховище Нурекської ГЕС

Багаторічне регулювання дозволяє перерозподіляти стік за ряд років, накопичуючи стік у водоймище у багатоводні роки й спрацьовуючи у маловодні. При багаторічному регулюванні суттєво зростають гарантована потужність ГЕС і вироблення нею електроенергії. При багаторічному регулюванні залежно від мінливості стоку приблизно β = 0,3–0,6 і вище.

Річне або сезонне регулювання здійснює перерозподіл стоку всередині року, накопичуючи стік у водоймище у багатоводний сезон у період паводків і спрацьовуючи в маловодний сезон у період межені. Це найпоширеніший тип регулювання стоку. При річному регулюванні зазвичай β>0,1.

Тижневе регулювання здійснюється в основному в інтересах гідроенергетики у зв'язку з нерівномірним споживанням електроенергії, перерозподіляючи стік протягом тижня зі зменшенням попусків у неробочі дні й збільшенням у робочі дні.

Добове регулювання здійснюється у зв'язку з нерівномірним режимом роботи ГЕС при покритті пікової частини графіка навантажень, забезпечуючи перерозподіл витрат води протягом доби. Зазвичай обсяг води у водосховищі, необхідний для добового регулювання, становить 0,3–0,6 обсягу добового стоку через ГЕС.

Багаторічне й сезонне регулювання річкового стоку здійснюють багато великих водоймищ комплексного призначення. У США з 75 водоймищ обсягом понад 1 км3 55 водоймищ здійснюють багаторічне регулювання стоку, у країнах СНД із 66 водоймищ обсягом більш 1 км3 24 водоймища багаторічного регулювання.

Різко зростають можливості регулювання стоку річок в умовах каскаду ГЕС. При цьому при розміщенні ГЕС із регулюючими водоймищами вище у каскаді вони впливають на всі нижче розташовані щаблі, забезпечуючи їх зрегульованим стоком і підвищуючи гарантовану віддачу. Однак при такому розміщенні в обсязі річкового стоку, використовуваному при регулюванні, не бере участь стік припливів на нижче розташованій ділянці річки.

При розміщенні регулюючих водосховищ у нижній частині каскаду за рахунок припливів збільшується обсяг стоку, що приймає участь у регулюванні, але використовувати його можна лише на нижче розташованих щаблях.

Таблиця 2.3. Класифікація водоймищ за висотним положенням

Висотне положення по кліматичних поясах (метри над рівнем моря)
Типи водоймищ	Субарктичний	Помірний		Субтропічний і тропічний	Субекваторіальний і екваторіальний
		Північна частина	Південна частина
Рівнинні	0–200	0–500	0–700	0–1000	0–1200
Передгірні	200–500	500–1000	700–1200	1000–1500	1200–2000
Гірські	Вище 500	1000–1500	1200–2000	1500–2500	2000–3000
Високогірні	–	Вище 1500	Вище 2000	Вище 2500	Вище 3000

Таблиця 2.4. Класифікація водоймищ за повним об’ємом й площею дзеркала

Категорія водоймищ	Показники
	Повний обсяг, км3	Площа дзеркала, км2
Найбільші	Більше 50	Більше 5000
Дуже великі	10–50	500–5000
Великі	1–10	100–500
Середні	0,1–1	20–100
Невеликі	0,01–0,1	2–20
Малі	Менше 0,01	Менше 2

Таблиця 2.5. Класифікація водоймищ за глибиною

Категорія водоймищ	Показники, м		Приклади водоймищ
	Найбільша глибина	Середня глибина
Винятково глибокі	Більше 200	Більше 50	Інгурське (Грузія), Вайонт (Італія), Мовуазен (Швейцарія), Чиркейське (Росія), Гувер (США)
Дуже глибокі	101–200	31–50	Кельнбрейн (Австрія), Ітайпу ( Бразилія- Парагвай), Красноярське (Росія), Ататюрк (Туреччина), Хаобинь (В'єтнам)
Глибокі	51–100	21–30	Дністровське (Україна), Вілюйське (Росія), Егль (Франція)
Середньої глибини	21–50	11–20	Шульбинське (Казахстан), Балбина (Бразилія)
Незначної глибини	10–20	5–10	Київське (Україна), Ніагара 2 (Канада)
Дрібні	Менше 10	Менше 5

Оптимальне розміщення ГЕС із регулюючими водоймищами у каскаді визначається внаслідок техніко-економічного зіставлення варіантів з урахуванням природних умов, а також впливу на природне та соціальне середовище.

Водноенергетичні й водогосподарчі розрахунки для ГЕС або каскаду ГЕС із водосховищами комплексного призначення виконуються з урахуванням вимог гідроенергетики, інших водокористувачів й водоспоживачів.

Таблиця 2.6. Класифікація водоймищ за глибиною спрацювання

Глибина спрацювання	Амплітуда коливання рівня, м	Приклади водоймищ
Мала	Менше 1	Саратовське (Росія), Дніпровське (Україна)
Невелика	1–3	Волгоградське, Горьківське (Росія), Київське (Україна)
Середня	3–10	Куйбишевське, Цимлянське, Братське, Вілюйське (Росія), Кременчуцьке, Каховське (Україна)
Велика	11–30	Чиркейське, Хантайське, Красноярське (Росія), Кленталерзее (Швейцарія), Дністровське (Україна)
Дуже велика	31–100	Нурекське (Таджикистан), Токтогульське (Киргизстан), Чарвакське (Узбекистан), Кельнбрейн (Австрія), Саяно-Шушенське (Росія)
Винятково велика	Більше 100	Гранд-Диксанс, Мовуазен (Швейцарія), Тинь (Франція)

На Волзькому каскаді ГЕС (Росія), де основні регулюючі водоймища – Рибінське та Волзьке (Куйбишевське) з корисним об’ємом відповідно 16,7 і 34,6 км3, інші ГЕС працюють в основному на витратах, які надходять з вище розташованих водоймищ.

Дніпровський каскад ГЕС, де основні регулюючі водосховища Кременчуцьке та Каховське мають корисний об’єм відповідно 9,0 і 6,8 км3, із сумарним корисним об’ємом усіх водоймищ близько 18 км3 (?=0,32) здійснює річне регулювання стоку.

Для ефективного регулювання стоку й режиму водоймищ у процесі експлуатації в інтересах учасників водогосподарчого комплексу використовуються спеціальні диспетчерські правила, які повинні забезпечити гарантовану водовіддачу (для ГЕС – потужність), пом'якшити перебої у водовіддачі у вкрай маловодні періоди, що перевищують розрахункову забезпеченість.

Кременчуцьке водосховище

Таблиця 2.7. Класифікація водоймищ за інтенсивністю водообміну

Ступінь водообміну	Показник водообміну повного обсягу, число раз у році	Приклади водоймищ
Дуже велика	Більше 10,0	Дніпродзержинське, Канівське, Київське (Україна), Саратовське (Росія), Франклін Рузвельт, Мак-Нері (США)
Велика	4,01–10,0	Горьківське, Куйбишевське, Волгоградське, Камське (Росія), Біч-Бенд (США)
Значна	2,01–4,0	Кременчуцьке, Каховське (Україна), Чиркейське (Росія), Форт Рандол (США)
Середня	1,0–2,0	Усть-Ілімське, Саяно-Шушенське, Рибінське, Красноярське (Росія)
Невелика	0,51–0,99	Братське, Цимлянське (Росія), Токтогульське (Киргизстан), Мінгечаурське (Азербайджан), Оахе, Поуэл (США)
Мала	0,33–0,5	Бухтармінське (Казахстан), Форт Пік (США)
Дуже мала	Менше 0,33

У диспетчерських правилах, які ґрунтуються на результатах аналізу роботи водоймищ або їх каскаду по календарному ряду спостережень минулих років, даються рекомендації з режимів водоймищ, в основному у вигляді комп'ютерних програм.

Основні параметри й класифікація водоймищ. До основних параметрів водоймищ, які відбивають їх індивідуальний характер і можуть змінюватися у часі в процесі експлуатації, відносяться:

• нормальний підпірний рівень (НПР) – найвищий проектний підпірний рівень водоймища, який може підтримуватися у нормальних умовах експлуатації;

• рівень мертвого обсягу (РМО) – мінімальний проектний рівень водоймища при спрацюванні його корисного обсягу, що допускається в умовах нормальної експлуатації;

• форсований підпірний рівень (ФПР) – найвищий проектний підпірний рівень водоймища, який допускається при пропуску паводків високої забезпеченості (зазвичай вище 1% забезпеченості);

• площа водної поверхні при НПР та РМО;

• обсяг водоймища повний, корисний і мертвий (нижче РМО);

• середня й максимальна глибина водоймища;

• довжина водоймища;

• середня й максимальна ширина акваторії водоймища;

• довжина берегової лінії, що визначається по урізу води при НПР.

Незважаючи на те, що кожне водоймище індивідуальне, класифікація таких водоймищ дозволяє оцінити їх особливості й характерні загальні ознаки. Це має істотне значення також при доборі водоймищ-аналогів для розробки прогнозів.

З певною умовністю при класифікації таких водоймищ їх можна об'єднати, виходячи із загальних ознак, окремих критеріїв.

За умовами утворення (генезису) можна виділити: водосховища на річках, утворені греблями; зарегульовані озера; наливні водосховища (до них відноситься більшість верхових водосховищ ГАЕС).

Класифікація водосховищ за типами регулювання стоку (багаторічному, сезонному, тижневому й добовому) наведена вище.

З огляду на географічне положення й істотний вплив рельєфу на параметри, режим роботи, взаємодію водосховища з навколишнім середовищем за умовами рельєфу місцевості та висотним положенням водоймища на річках можна розділити на наступні (табл. 2.3):

• рівнинні, які характеризуються більшими питомими затопленнями на одиницю об'єму, невеликою середньою глибиною (звичайно 4–9 м) і глибиною спрацювання 2–10 м, інтенсивною переробкою берегів, значним підтопленням прибережної зони;

• передгірні, для яких характерні збільшення максимальної глибини до 70–100 м, середньої глибини до 30–40 м, а глибини спрацювання до 10–20 м, обмежені переробка берегів і підтоплення, у багатьох випадках активізація зсувних і обвальних процесів;

• гірські й високогірні, які характеризуються мінімальними питомими затопленнями на одиницю об'єму, більшими максимальними глибинами (до 100–150 м), великою глибиною спрацювання, що досягає 50–100 м, мінімальними переробкою берегів і підтопленням, у багатьох випадках активізацією зсувних і обвальних процесів.

За такими показниками, як об’єм й площа дзеркала, глибина й величина спрацювання, класифікацію водоймищ наведено в таблицях 2.4 –2.6.

Важливим показником, що характеризує проточність водоймища, є показник водообміну. Інтенсивність процесів самоочищення й формування якості води у водоймищах багато в чому залежать від водообміну. При інтенсивному водообміні домінує транзит води із суспензіями, що втримуються в ній розчиненими речовинами, а при вповільненому водообміні – процес акумуляції.

Розрізняють зовнішній і внутрішній водообмін. Зовнішній водообмін, який відбувається в результаті припливу води з водоскидної площі й у вигляді опадів, тимчасової акумуляції води у водоймище, скидання її з водоймища й випару з його поверхні, для більшості водоймищ грає найбільш істотну роль.

Як характеристики водообміну водоймища звичайно використовуються умовні показники водообміну К, що дорівнюють відношенню річного стоку з водоймища W до його повного Vповн і корисного Vкор об’ємів.

Показники (коефіцієнти) водообміну визначаються за рік для умов середнього, маловодного й багатоводного років, а також всередині року по сезонах.

Класифікацію водоймищ за інтенсивністю водообміну дано в таблиці 2.7.

Внутрішній водообмін (горизонтальний і вертикальний) залежить від хвиль і течій. До внутрішнього водообміну відноситься водообмін води у водоймищах ГАЕС, які характеризуються високими показниками водообміну. Так, для нижнього водоймища дністровських ГАЕС і ГЕС коефіцієнт водообміну становить 290 (для середнього за водністю року), а для верхнього водоймища ГАЕС – 307.

Підвищення інтенсивності водообміну у водоймищах ГАЕС поряд з іншими факторами сприятливо впливає на якість води.