3.1. Каскады ГЭС

Наиболее эффективное использование водных и гидроэнергетических ресурсов достигается при строительстве на реках каскадов ГЭС, образующих единый водохозяйственный комплекс. Принцип создания на реках каскадов ГЭС является основополагающим во всех странах.

Группа ГЭС, расположенных по течению реки на некотором расстоянии друг от друга и связанных между собой общим водохозяйственным режимом, образует каскад. Главной задачей каскадов ГЭС является комплексное использование водных ресурсов.

Создание каскадов ГЭС обеспечивает более полное зарегулирование стока и использование гидроэнергетических ресурсов, позволяет в максимальной мере увязать интересы гидроэнергетики и других участников ВХК, хотя усложняется их взаимодействие в условиях комплексного использования водохранилищ каскада. Однако, с другой стороны, облегчается преодоление противоречий между ними, благодаря чему достигается увеличение мощности и выработки ГЭС, возможность работы ГЭС в пиковой зоне в соответствии с графиком нагрузок в связи с устранением ряда ограничений по режиму попусков и уровней в нижнем бьефе и др.

Рис. 3.1. Каскад ГЭС на р. Нарын (продольный профиль): 1 – Кампаратинская ГЭС №1; 2 – Кампаратинская ГЭС № 2; 3 – Токтогульская ГЭС; 4 – Курпсайская ГЭС; 5 – Таткумырская ГЭС; 6 – Шамалдысайская ГЭС; 7 – Уч-Курганская ГЭС

Выбор оптимальной схемы каскада ГЭС является сложной многофункциональной задачей, решаемой на основании техникоэкономического сравнения вариантов и анализа экологических последствий, исходя из природных условий, прогноза развития социально-экономических условий региона.

Основным этапом, определяющим возможность и эффективность реализации гидроэнергетического потенциала реки, является разработка схемы использования гидроэнергетических ресурсов, предусматривающей комплексное использование водохранилищ. В схеме определяется оптимальная разбивка каскада ГЭС, включая предварительное их местоположение и параметры, порядок строительства ГЭС в каскаде и первоочередные ГЭС.

При разбивке водотока на ступени, размещении ГЭС и установлении их основных параметров определяющее значение имеют природные условия в бассейне реки (гидрологические, топографические, геологические), состояние окружающей природной среды, состояние и перспективы развития техногенной и социальной среды и другие факторы. Исходя из совокупности этих факторов, более благоприятные условия обеспечиваются при размещении ГЭС с крупными регулирующими водохранилищами в горных и предгорных районах.

При размещении ГЭС с регулирующими водохранилищами выше в каскаде они обеспечивают зарегулированным стоком все нижерасположенные ГЭС каскада, увеличивая энергетические показатели, а также повышение гарантированной водоотдачи потребителям на нижерасположенном участке реки.

Таблица 3.1 Данные о каскадах ГЭС

Страна	Река	Количество ступеней каскада ГЭС	Суммарная мощность ГЭС, млн.кВт	Суммарный объем водохранилищ, км3		Площадь зеркала водохра- нилищ, тыс.км2	Протяжен- ность водохра- нилищ, км	Основные участники ВХК
				Полный	Полезный
Евразия
Испания	Тахо	11		7,6	6	0,3	500	Г, И
Россия	Волга	8	8,6	152,3	70,5	20,7	3000	Г, В, И, Р, С, Н, Рек
	Кама	3	2,6	34,5	17,3	5,6	900	Г,В,Р,С, Н, Рек
	Ангара	4	13,5	334,6	99,9	42,7	1940	Г, В, С, Л, Р, Рек
	Сулак	4	1,9	3,6	1,7	0,1	60	Г, И, Н
Украина Киргизстан,	Днепр	6	3,7	43,8	18,4	7,0	860	Г, В, И, Р, С, Н, Рек
Узбекистан	Нарым Сырдарья	6		30,1	21,4	1,8	250	Г, И, Н, Р, Н Рек
Северная Америка
Канада	Ла Гранд	5		158,6	68,6	9,6	650	Г
Канада, США	Колумбия	15		56,3	20,0	1,5	1500	Г, С, Р, В, Рек
США	Миссури	9		97,6	83,4	4,6	500	Г, И, Н,С, Р, Рек
	Теннеси	15	4,0	32,4	16,0	3,5	1290	Г, Н, С, В, Р, Рек
США, Мексика	Колорадо	11		78,2	66,6	1,8	1400	Г, И, Н
Южная Америка
Бразилия	Парана	8		118,4	6,2			Г

Условные обозначения: Г – гидроэнергетика; В – водоснабжение; И – ирригация; Р – рыбное хозяйство; Н – защита от наводнений; С – судоходство; Рек – рекреация.

Такая схема использована на каскаде из семи ГЭС на р. Нарын (рис. 3.1), протекающей по территории Киргизстана и Узбекистана. В этом каскаде водохранилища двух верхних ГЭС Кампаратинской № 1 (полезным объемом 2,2 км 3, β =0,22) и Токтогульской (полезным объемом 14 км 3, β =1,2), расположенных в горных условиях, – осуществляют основное регулирование стока реки, а остальные ГЭС каскада преимущественно суточное регулирование. Данные о каскадах ГЭС на крупных реках в ряде стран мира приведены в таблице 3.1.

Во многих случаях создание каскадов ГЭС имеет определяющее значение в социальноэкономическом развитии целых регионов.

Днепровский каскад (Украина). Днепр является крупнейшей рекой Украины и третьей по величине рекой Европы. Площадь водосбора до створа нижней ступени каскада – Каховской ГЭС составляет 482 тыс. км 2. Основные характеристики каскада даны в таблице 3.2.

Днепровский каскад (рис. 3.2) имеет большое значение для народного хозяйства Украины. Его водохранилища, и в первую очередь Кременчугское и Каховское, обеспечивают сезонное регулирование стока р. Днепр. Полезный объем водохранилищ составляет 34% среднемноголетнего стока Днепра. ГЭС каскада, суммарная мощность которых составляет 3,67 млн. кВт, а выработка электроэнергии – около 90% выработки всех ГЭС Украины, играют важнейшую роль в Объединенной энергосистеме Украины, покрывая пиковую часть графика нагрузок и обеспечивая функции аварийного и нагрузочного резерва.

Таблица 3.2 Основные характеристики водохранилищ и ГЭС Днепровского каскада

Наименование ГЭС и водохранилища	Год заполне- ния	Мощность ГЭС, МВт	3		Площадь зеркала, км2	Протяжен- ность, км	Глубина, м
			Полный	Полезный			Макси- мальная	Средняя
Киевское	1965	361	3,73	1,17	922	110	19,5	4,0
Каневское	1972	444	2,62	0,30	675	123	21,0	3,9
Кременчугское	1961	625	13,50	9,00	2250	149	20,0	6,0
Днепродзержинское	1964	352	2,45	0,27	576	114	16,0	4,3
Днепровское (Днепрогэс I, II)	1933, 1980	1538	3,30	0,83	410	129	53,0	8,0
Каховское	1956	351	18,20	6,80	2150	230	24,0	8,5
Всего		3671	43,81	18,37	6983	855

Объем, км

Благодаря его водохранилищам осуществляется коммунально-бытовое, промышленное и сельскохозяйственное водоснабжение крупнейших промышленных и сельскохозяйственных регионов страны (более 50% территории страны), в том числе в таких отдаленных, как Донбасс и Кривой Рог, с помощью канала Днепр–Донбасс с подачей 120 м 3 /с и Днепр–Кривой Рог с подачей 44 м 3 /с, обеспечение водой Крыма. За счет водохранилищ Днепровского каскада орошается более 1 млн.га земель в южных засушливых районах Украины и в Крыму.

Каскад водохранилищ обеспечивает глубоководный путь по Днепру. Широко используются водохранилища каскада для рыбного хозяйства, рекреации, здесь ежегодно отдыхают миллионы людей.

Рис. 3.2. Днепровский каскад ГЭС (продольный профиль)

Днепровский каскад эксплуатируется как единый ВХК с оптимизацией режима работы, учитывающей интересы всех его участников.

Волжско-Камский каскад (Россия). Волга является крупнейшей рекой Европы. Площадь водосбора составляет 1,38 млн.км 2.

Волжско-Камский каскад, включающий 11 крупных водохранилищ, являясь одним из крупнейших в мире ВХК, охватывает огромную территорию важнейшего экономического региона России, где проживает порядка трети населения и производится более трети продукции, обеспечивает водоснабжение городов, промышленности, сельского хозяйства, орошение и др.

ГЭС каскада мощностью около 12 млн.кВт вырабатывают 40 млрд.кВт·ч. Создан глубоководный водный путь, на который приходится более 75% речных перевозок страны.

Водохранилища каскада позволяют оросить около 8 млн. га земель и обводнить 10 млн. га земель, обеспечивают попуски для обводнения Волго-Актубинской поймы, в водохранилищах вылавливается около 300 тыс.центнеров рыбы. На водохранилищах отдыхают десятки миллионов людей.

Создание водохранилищ привело к затоплению около 1 млн.га сельскохозяйственных земель, ухудшились условия воспроизводства полупроходных рыб в дельте Волги, затруднен проход рыбы к нерестилищам. Как и на Днепровском каскаде, сброс в водохранилища неочищенных сточных вод приводит к ухудшению качества воды, что является серьезнейшей проблемой этого крупнейшего региона страны.

Каскад на р. Теннесси (США). Обширный регион своим расцветом во многом обязан освоению водных и гидроэнергетических ресурсов р.Теннесси. Теннесси – пятая по расходу воды река в США. Её водосборная площадь составляет 106 тыс.км 2. Среднегодовой расход в устье равен 1800 м 3 /с.

Водохранилища каскада регулируют сток и обеспечивают защиту от наводнений, водоснабжение, выработку электроэнергии в среднем 17 млрд. кВт·ч в год на ГЭС мощностью 4 млн.кВт, судоходство, рекреацию, рыбное хозяйство, а также борьбу с москитами и др.

Каскад гидроузлов навсегда избавил жителей долины реки от частых разрушительных наводнений, обеспечил электроэнергией и водой, что стало основой экономического развития этого ранее сравнительно бедного региона.

Водохранилища стали одними из наиболее популярных зон отдыха в США. В 1963 г. создан национальный парк на площади 69 тыс.га на территории, ограниченной с трех сторон водохранилищами: двумя самыми большими водохранилищами Кентукки на р. Теннесси и Барклей на р. Кемберленд.

После создания водохранилищ популяция рыб увеличилась в 50 раз. Общая площадь сельскохозяйственных земель в долине увеличилась в несколько раз.

Одной из тяжелых экологических проблем была малярия, которой болела треть населения, живущего около болотистых зон вдоль реки. После образования водохранилищ и принятия необходимых мер случаев заболевания малярией не было.