1.3. Плотинно-деривационная схема

В плотинно - деривационной схеме используются выгодные свойства обеих предыдущих схем, т. е. может быть создано водохранилище и использовано падение реки ниже плотины (рис. 6) На используемом участке реки А-В при неиз­менной отметке верхнего бьефа ▼ ВБ местоположение плотины мо­жет быть различным. Чем выше по течению расположена плотина, тем меньше ее высота. При этом умень­шается размер водохранилища, т. е. уменьшается затапливаемая терри­тория, но увеличивается длина де­ривации и увеличиваются потери напора h_A-B. Тщательное технико-экономическое сравнение вариантов позволяет выбрать наилучший.

2. Каскады гидроэлектростанций и водохранилищ

Несколько ГЭС, последователь­но расположенных на одном водо­токе, образуют каскад, в котором могут быть плотинные и деривационные ГЭС. Проектирование и осуществление каскадов ГЭС имеет целью возможно более полное использование падения реки и ее стока в интересах всего народного хозяйства. При этом стремятся за счет создания водохранилищ наилучшим образом зарегулировать сток рек.

Местоположение каждого гидроузла, его напор, объем образуемо­го им водохранилища и т. п. выбираются на основе тщательного изу­чения природных условий и всестороннего технико-экономического анализа. Для того чтобы использовать возможно больший сток на дан­ной установке, створ плотины стремятся расположить ниже крупного притока, а для уменьшения ущерба от затопления створ плотины выбирают выше крупных городов. При выборе створа плотины часто решающее значение имеют топографические и геологические ус­ловия

При сооружении каскада ГЭС обычно оказывается целесообраз­ным некоторый подпор вышерасположенной ступени, благодаря чему падение реки используется более полно и может производиться глубо­кое суточное регулирование мощности ГЭС без существенных колеба­ний уровня НБ.

На рис. 7 приведена схема Волжско-Камского каскада ГЭС и водохранилищ. Река Волга имеет длину 3690 км и общее падение 250 м. Ступенчатой линией показаны проектные уровни воды после осуществления всей схемы реконструкции Волги.

Каскады ГЭС построены на многих реках – Енисее, Ангаре, Иртыше, Каме, Свири, Вуоксе, Днепре, Сырдарье, Нарыне, Чирчике, Куре, Риони, Ингури, Сулаке и др.

3. Комплексное использование водных ресурсов

По запасам водных ресурсов Россия находится на первом месте в мире. Для многих районов вода определяет развитие и специализацию народного хозяйства. Особую остроту приобретает проблема пресной воды для коммунального и промышленного водоснабжения и потребность в воде для орошения и обводнения земель.

Использование водотока только в энергетических целях возможно лишь в тех случаях, когда потребность других отраслей народного хозяйства или более экономично удовлетворяется без использования данного водотока. Чаще всего водоток выгодно использовать в интересах нескольких отраслей народного хозяйства. Можно выделить основные направления использования водных ресурсов России:

1. водоснабжение (коммунальное, промышленное, водоснабжение тепловых электростанций) с последующим отводом воды (канализация);

2. орошение (ирригация) и обводнение земель;

3. гидроэнергетика (использование механической энергии водных потоков);

4. использование водной среды для транспорта и лесосплава;

5. использование водной среды для рыбного хозяйства;

6. использование рек и водоемов для отдыха населения и спорта.

Водотоки и водоемы используются также в качестве приемников избыточной воды, отводимой с осушаемых территорий; приемники промышленных и хозяйственных бытовых стоков, которые предварительно должны быть почти полностью очищены согласно требованиям санитарной охраны водоемов. Водотоки и водоемы могут быть использованы для биохимической самоочистки воды, загрязненной этими, в известной мере очищенными стоками.

Наряду с использованием водных источников приходится вести борьбу с вредными воздействиями – с наводнениями, селевыми (грязевыми) выносами, оползнями, образованием оврагов, размывом берегов водохранилищ, эрозией почв, заключающейся в смыве ценных почв и т. п.

В водном хозяйстве выделяют водопотребителей и водопользователей. Водопотребитель использует большую часть воды без возврата ее в водный источник, как например, при орошении полей. Водопользователь полностью или почти полностью возвращает воду того же качества. Например, вода, использованная для выработки электрической энергии на ГЭС, снова возвращается в реку.

Использование водных ресурсов для удовлетворения потребностей нескольких отраслей народного хозяйства называют комплексным. В комплексном гидроузле плотина и создаваемое ею водохранилище служат для удовлетворения потребностей нескольких отраслей народного хозяйства. В состав гидроузла входят также отраслевые (специфические) сооружения участников комплексного использования данного водотока, например здание гидроэлектростанции, судоходный шлюз, водоприемник для водоснабжения, водоприемник для орошения земель, сооружения для пропуска мигрирующих рыб и т. п. Для реализации эффекта комплексного гидроузла необходимо построить сопутствующие сооружения – повышающую подстанцию и линию электропередачи от ГЭС до приемной подстанции, ирригационный канал, трубопровод, туннель или канал для водоснабжения и т. п.

Комплексный гидроузел вместе с сопутствующими сооружениями называется комплексной водохозяйственной системой или сокращенно водохозяйственным комплексом. При объединении водного хозяйства нескольких комплексных гидроузлов образуется объединенная комплексная водохозяйственная система. Состав участников и параметры водохозяйственного комплекса должны быть экономически обоснованны. В комплекс не должны включаться те водопотребители и водопользователи, потребности которых более экономично удовлетворяются вне данного водохозяйственного комплекса. Эффективное решение проблемы комплексного использования водных ресурсов, выбор оптимальных параметров и режима работы комплекса возможны только на основе глубокого и всестороннего анализа большого круга вопросов с учетом перспектив развития народного хозяйства и отдельных его отраслей. Важнейшими вопросами являются определение экономической эффективности комплекса и согласование часто противоречащих друг другу требований отдельных участников комплекса к использованию водных ресурсов.

Для большинства основных водопотребителей и водопользователей требуется сооружение водохранилищ. В повышении расхода рек в маловодные сезоны и в маловодные годы заинтересованы ирригация, водоснабжение, гидроэнергетика, органы санитарной охраны рек т. п. Однако для гидроэлектростанций вода требуется в большей мере зимой, когда потребность в электроэнергии наибольшая, а для орошения земли вода необходима летом.

Благодаря высоким маневренным качествам гидроэлектростанции используются для покрытия утреннего и вечернего пиков электрической нагрузки. В период ночного и дневного (обеденного) снижения электрической нагрузки гидроэлектростанции работают с меньшей мощностью или совсем останавливаются. При этом в нижнем бьефе ГЭС в течение суток происходят резкие колебания расходов и уровней, а для орошения полей обычно требуется равномерная подача воды. Для судоходства также желательны возможно более постоянные уровни. Оптимальным считается такое удовлетворение противоречивых требований отдельных водопользователей и водопотребителей, который дает наибольший суммарный эффект.

При комплексном использовании водотока для ирригации и энергетики целесообразно в верховьях рек сооружать энергетические водохранилища, вода из которых используется в период больших электрических нагрузок (зимой) на возможно большом напоре. В среднем и нижнем течении реки может потребоваться сооружение ирригационного водохранилища, которое заполняется зимой и дает воду для орошения полей летом. Если ирригационный водозабор размещается в нижнем бьефе гидроэлектростанции, работающей с суточным регулированием, то ниже ГЭС может потребоваться сооружение бассейна обратного суточного перерегулирования расхода воды для того, чтобы обеспечить для орошения полей равномерную подачу воды в течение суток.

Промышленное и коммунальное водопотребление характеризуется сравнительно ровным годовым графиком. Для водоснабжения промышленности и тепловых электростанций применяется прямоточная или оборотная циркуляционная система. В прямоточной системе вода забирается из реки, используется в технологическом процессе промышленного предприятия и после соответствующей очистки большая часть воды снова возвращается в реку. При оборотной системе водоснабжения отработавшая вода после очистки снова используется в технологическом процессе промышленности. Из реки или из другого водного источника восполняется лишь объем воды, использованный в качестве сырья, воды, потерянной на испарение и фильтрацию, и особо загрязненной воды, требующей очень дорогой очистки. На тепловых электростанциях вода используется для охлаждения конденсаторов. В случае оборотной системы отработавшая вода поступает в пруды-охладители и охлаждается в градирнях.

Для водного транспорта необходимо обеспечить судоходные глубины, построить шлюзы, судоподъемники или судовозные дороги для перехода судов из верхнего в нижний бьеф и обратно. Для поддержания глубин на мелких участках реки, не перекрытых подпором от плотин, производится дноуглубление и выправление русла. Сработка водохранилищ в навигационный период ограничивается по условиям обеспечения необходимых судоходных глубин. По этим причинам иногда приходится ограничивать колебание уровней в нижнем бьефе ГЭС при суточном регулировании. В крупных водохранилищах устраиваются порты – убежища для отстоя судов во время больших штормов.

При плотинах в необходимых условиях строятся рыбопропускные сооружения (рыбоходы, рыбоподъемники) для пропуска проходных рыб в верховьях рек к местам их нерестилища. Необходимо также обеспечивать условия прохода мальков из верхнего в нижний бьеф. В ряде случаев оказывается нецелесообразной постройка рыбозаводов и устройство искусственных нерестилищ ниже плотин. Для заполнения нерестилищ должны производиться весной пропуски воды из водохранилищ и ограничиваться суточное регулирование расходов вышерасположенной ГЭС с тем, чтобы икринки всегда были в воде. Рыбное хозяйство предъявляет жесткие требования к очистке сточных вод промышленности и коммунального хозяйства. Водохранилища с достаточно чистой водой могут эффективно использоваться для разведения соответствующих пород рыб.

Акватории и берега водохранилища могут быть использованы для спорта и отдыха населения.

В России уже построено значительное число крупных комплексных гидроузлов. Энергетике принадлежит ведущая роль в комплексном использовании крупнейших рек: Волги, Камы, Днепра, Иртыша, Ангары, Енисея др. При строительстве гидроузлов на этих реках энергетика была главным компонентом, определяющим параметры комплексного гидроузла – высоту плотины и емкость водохранилища. Вторым компонентом был водный транспорт.

Список литературы:

1. Гидроэнергетические установки. Под ред. Д. С. Щавелева. (Учебник для вузов). Л. “Энергия”, 1972, 392 с. с илл.

2. Абдурашитов Ш. Р. Общая энергетика: Учеб. Пособие, издание 2-е, переработанное и дополненное / Ш. Р. Абдурашитов; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. – Уфа: УГАТУ, 2006. – 334 с.