Научная статья

Цифровая система защиты от наводнений для управления гидроэнергоресурсами

(на примере Зейской ГЭС)

Мартынова А.М.

24 декабря 2024

Гидроэнергетика

Введение

Причиной увеличения повторяемости наводнений и уровней затоплений в бассейне реки Зея местные жители считают режимы Зейского гидроузла, регулируемые в интересах гидроэнергетики, а не защиты территорий от наводнений. Уроки наводнений в 2007, 2013 годы остаются не выученными ^[1],[2] и наводнение повторилось в 2021 году и будет повторяться, если не будет создана современная XXI века цифровая система защиты от наводнений для управления гидроэнергоресурсами ГЭС.

По итогам посещения Приамурья во время наводнения 2013 года Президент В.В. Путин издал Указ № 693 от 31.08.2013, поручивший Правительству совместно с РАН провести научные исследования экстремального паводка и установить новые требования к безопасности территорий и гидротехнических сооружений (ГТС), а Следственному комитету — провести проверку соответствия законодательству РФ действий должностных лиц, в том числе ответственных за эксплуатацию гидротехнических сооружений (ГТС).

Однако до настоящего времени отсутствует информация о результатах выполнения Указа № 693 от 31.08.2013 в части разработки новых требований к условиям обеспечения безопасности территорий и о проверке действий должностных лиц требованиям законодательства во время наводнения.

В связи с этим актуальным является исследование роли Зейского гидроузла в наводнении 2013 года и возможностей повышения защищённости Приамурья от наводнений.

Материалы и методика исследований

Работа выполнена на основе:

• данных наблюдений на гидропостах Росгидромета;
• ежедневных данных о пропуске воды через ГТС и уровнях водохранилища, размещаемых на сайте ПАО «РусГидро»;

Методика основана на принципах инженерной гидрологии, регламентированных национальными Сводами правил (СП, актуализированными СНиП) ^[3],[4].

Для визуализации и анализа фактического режима водохранилища и влияния сбросов на затопление территорий в нижнем бьефе построены хронологические графики уровней и расходов воды на гидропостах, совмещённые с расходами воды через ГЭС. Объёмы водохранилища между различными уровнями определялись по графику зависимости и интерполяционной таблице из приложений к ПИВР 1984 ^[5].

Проектные параметры Зейского гидроузла

Зейский гидроузел — комплекс плотинных ГТС и водохранилище, объединённых общим проектным режимом, создан на р. Зея в 654 км от устья. Технический проект комплекса разработан Ленгидропроектом в 1969 г. Зейское водохранилище начало заполняться в 1976 г., заполнилось до НПУ в 1984 г.

Основные параметры приведены по ПИВР 1984 и ПИВР 2018 ^[5],[6].

Зейские ГТС относятся к 1 классу ГТС чрезвычайно высокой опасности согласно классификации по высоте плотины 115,5 м и огромному количеству гибели людей и ущербам экономике при гипотетическом риске разрушения плотины.

Пропуск паводков предусмотрен исходя из двух расчётных случаев:

• Основной случай — пропуск половодно-паводкового гидрографа с расчётным расходом 0,1%-ной вероятности превышения (1 раз за 1000 лет) — 19 800 м³/с и объёмом 52 км³ при НПУ 315 м при открытии всех водопропускных сооружений;
• Поверочный случай — пропуск с расходом 0,01%-ной вероятности превышения (1 раз за 10 000 лет) — 27 600 м³/с и объёмом 58 км³ при ФПУ 322,1 м при открытии всех водопропускных сооружений.
• Пропускная способность при НПУ — 6040 м³/с (1540 м³/с через 5 гидроагрегатов, 4500 м³/с через 8 пролётов водосброса при напоре 78,5 м).

Приоритетное назначение гидроузла — защита от наводнений. Гидроэнергетическая функция была дополнительной: при полезном объёме 32,12 км³ установлено 6 агрегатов (1330 МВт, проектная выработка 4,9 млрд кВт·ч в год). Для сравнения: Красноярская ГЭС при полезном объёме 30,4 км³ имеет 12 агрегатов (6000 МВт) и выработку 18,35 млрд кВт·ч.

Водный баланс Зейского водохранилища в 2013 году

3.1. Приток в водохранилище (линия 2 на рис. 1)

Притоки в бассейне Зеи характеризуются высокой многолетней и сезонной изменчивостью стока и быстроразвивающимися ливневыми паводками.

Объём притока в 2013 г. составил 46,4 км³, что почти вдвое выше среднемноголетнего (25,2 км³).

Основные элементы притока в Зейское водохранилище в 2013 году (максимальный расход, объемы максимальной единичной волны паводка и за весь половодно-паводковый период) не были катастрофичными для водохранилища с проектной полезной емкости 32,12 км³:

• максимальный приточный расход воды 11 700 м³/с был близким к 8%-ной вероятности превышения (один случай за 12,5 лет) при многолетней норме 7400 м³/с;
• объем за 20-дневную максимальную единичную волну паводка около 14 км³ был близким к 2%-ной вероятности превышения (1 случай за 50 лет) при многолетней норме 6,2 км³;
• объем за 150-дневный половодно-паводковый период около 45 км³ был близким к 0,9%-ной вероятности превышения (один случай за 200 лет) при многолетней норме около 25 км³.

За период с 1 мая по 14 октября наблюдалась только одна короткая межень с 24 июня по 6 июля, когда приточные расходы были меньше 1000 м³/с. Все остальное время проходили волны весеннего половодья и летне-осенних паводков:

• весеннее половодье прошло с мая до середины июня с небольшими расходами до 4000 м³/с;
• летние паводки в виде 4-х единичных быстроразвивающихся волн паводков прошли друг за другом с 5 июля по 20 августа с максимальным пиковым расходом воды 1 августа равным 11 700 м³/с;
• осенний паводок с максимальным расходом 4200 м³/с прошёл в сентябре.

3.2. Сбросы через ГТС (линии 3 и 4 на рис. 1)

Объём сбросов за период с 1 мая по 14 октября — 28,2 км³, из них через гидроагрегаты прошло 9,5 км³. Весь остальной объём 18,7 км³ сброшен холостым через водосброс.

Расходы воды через гидроагрегаты (330–1100 м³/с) свидетельствуют об использовании в 2013 году в работе только 1–3 агрегатов из 6 установленных.

Первый холостой сброс произведён 1 августа при достижении уровня 317,5 м с одновременным открытием всех затворов водосброса и залповым увеличением расходов воды с 1000 м³/с до 3480 м³/с, что привело к образованию в нижнем бьефе плотины гидродинамической волны и прохождению ее по рекам Зея и Амур, уже вышедшим из берегов. С 17 августа расход увеличен до 5000 м³/с.

3.3. Аккумуляция притока в водохранилище

К началу половодья водохранилище было сработано только до уровня 310 м (вместо проектного УМО 299 м). Полезная ёмкость к приёму паводка составляла 11,40 км³ вместо проектных 32,12 км³.

За половодно-паводковый период из притока 46,4 км³ на наполнение ушло 17,5 км³, в том числе:

• 11,4 км³ — наполнение полезной ёмкости (с 310 до 315 м);
• 6,1 км³ — наполнение резервной ёмкости (с 315 до 317,5 м).

3.4. Уровни водохранилища (линия 1 на рис. 1)

С 1 мая уровень поднялся с 310 м до НПУ (315 м) 20 июля. К пику паводка (1 августа) уровень достиг 317,5 м, дальнейшая форсировка (до 319,53 м 19 августа) осуществлялась за счёт резервного объёма 5,4 км³ между 317,5 и 319,53 м.

Максимальный уровень 19.08.2013 на 4,53 м выше НПУ, на 3,47 м ниже гребня плотины 323 м. При проектной высоте ветрового нагона 5,6 м существовал риск перелива через гребень плотины. После увеличения сбросов до 5000 м³/с уровень начал снижаться и к концу октября составил 317,5 м.

Превышение НПУ наблюдалось с июля до конца года. ГТС длительное время работали при повышенных напорах и нагрузках. Поселения на побережье водохранилища подверглись длительному наводнению с высокими уровнями затопления.

3.5. Водный баланс (с 1 мая по 14 октября)

Приток 46,4 км³ распределился:

• 28,2 км³ сброшено в нижний бьеф (9,5 км³ через агрегаты, 18,7 км³ холостые);
• 17,5 км³ аккумулировано в водохранилище (11,4 км³ в полезную ёмкость, 6,1 км³ в резервную).

Вклад сбросов ГЭС в затопление поселений в нижнем бьефе

Вклад сбросов Зейской ГЭС в затопление Амуро-Зейской равнины рассмотрен на примере затопления села Белогорье.

Основные результаты:

• Затопление поймы у с. Белогорье началось 22 июля.
• 4 августа, после добегания волны от ГЭС, глубина затопления достигла 2 м. Сброс с ГЭС повысил уровень на 110 см, при этом критическая отметка затопления села была превышена на 90 см.

Доля сбросов ГЭС в общем объёме стока в нижнем течении реки Зея составила:

• первая декада августа — ≈30%;
• третья декада августа — 36%;
• вторая-третья декады сентября — до 74%.

Риски от Правил регулирования Зейского водохранилища (ПИВР 1984 и ПИВР 2018)

Должностные лица, эксплуатирующие гидроузел, подчеркивают, что регулирование гидроузлом осуществляется в строгом соответствии с правилами: до 2018 г. — ПИВР 1984 ^[5], с 2018 г. — ПИВР 2018 ^[6].

Сравнение фактического водного баланса (раздел 3) с предписаниями ПИВР 1984 показывает, что в 2013 году режимы назначались по диспетчерскому графику без учёта реальной гидрометеорологической обстановки.

Порядок регулирования в ПИВР 1984 и ПИВР 2018 одинаков и задаётся диспетчерским графиком (рис. 3).

Несоответствия графика проектным параметрам:

Последствия отступлений от проекта:

В диспетчерском графике имеются аномалии (например, резкий подъём уровня на 2,5 м за сутки в зимнюю межень), что указывает на логические и нормативные нарушения при его построении (см. сравнение с проектом диспетчерского графика Зейского водохранилища (рис. 4) из учебного пособия С.Е. Беднарука ^[7]).

В ПИВР отсутствуют ограничения по продолжительности стояния уровней на предельных отметках и по интенсивности наполнения/сработки, что повышает риски для плотины.

ПИВРы составлены с нарушениями нормативно-технических требований безопасности:

• пунктов 6.12, 6.13 Свода правил СП 58.13330.2012 ^[4], которые требуют пропуска воды через ГТС по проектной документации; сработка должна обеспечивать наполнение до НПУ, отклонения возможны только в особых случаях;
• пункт 3.2.3 ПТЭЭС Правил технической эксплуатации электрических станций Российской Федерации ^[8] предписывает регулировать сбросы с учётом безопасности и борьбы с наводнениями; превышение НПУ допускается лишь при полностью открытых затворах и кратковременно;
• пунктов 1.3; 5.1.4; 8.1.1. национального стандарта РФ ГОСТ Р 55260.1.9-2013 «Гидроэлектростанции Часть 1-9. Сооружения ГЭС гидротехнические. Требования безопасности при эксплуатации» ^[9].

Оценка эффективности использования Зейского гидроузла

Коэффициент эффективности использования гидроэнергетических ресурсов определяется отношением объёма воды, пропущенного через агрегаты к полному объему сброса в нижний бьеф = 9,5 / 28,2 = 0,34.

Коэффициент эффективности противопаводковой функции определяется отношением объема воды, аккумулированной в полезной ёмкости к общему объему притока = 11,4 / 46,4 = 0,24.

Оба значения являются низкими.

Основные причины неэффективности:

Следствия:

Гидроузел снизил пик паводка с 11 700 м³/с до 5 000 м³/с и частично выполнил его противопаводковую функцию. Однако, при необходимой предпаводковой сработке водохранилища и работе 5 гидроагрегатов можно было обойтись без холостых сбросов.

Из общего объема притока за весь половодно-паводковый период в 46,4 км³ основная его часть могла быть аккумулирована в полезном объеме водохранилища 32,12 км³, а оставшаяся часть пропущена через гидроагрегаты. При этом срезка пикового расхода воды 11 700 м³/с была бы выполнена до расхода через гидроагрегаты — 1 300, а не до 5 000 м³/с по факту.

Наводнение 2013 года повторило чрезвычайную ситуацию с наводнением, вызванного регулированием Зейского гидроузла в 2007 году. Тогда уровень предполоводной сработки 1 мая был 312,24 м вследствие неполной нагрузки гидроагрегатов. В период июльского паводка расходы притока увеличились до 15 200 м³/с, сбросные расходы при достижении уровня 317,5 м холостыми сбросами были увеличены до 4 700 м³/с, уровень в водохранилище достиг 318,64 м. Поселения в верхнем и нижнем бьефах оказались затопленными длительное время.

Из рис. 5 (из доклада экс председателя правления ОАО «ГидроОГК» В.Ю.Синюгина «О работе ОАО Зейская ГЭС», представленного по итогам разбирательства наводнения 2007 года) следует, что:

• до акционирования (до 2005 года) водохранилище эксплуатировалось иначе: проводилась необходимая предпаводковая сработка, наполнение практически не превышало НПУ 315 м (исключение — 316,63 м в 1989 г.). Случаев, когда работа ГЭС провоцировала бы затопление поселений, не фиксировалось;
• после акционирования Зейской ГЭС с 2006 года начались ежегодные превышения НПУ и ограничения УПС.

Баланс приоритетов сместился в сторону гидроэнергетической выгоды, что создаётся объективным конфликтом интересов: для защиты от наводнений водохранилище должно быть максимально пустым, для выработки электроэнергии — максимально полным.

Как следует из открытых материалов уголовного дела, экс-глава ПАО «РусГидро» Е. Дод по итогам 2013 года получил премию 353 млн руб., что может рассматриваться как показатель отсутствия ответственности за неэффективное использование гидроэнергоресурсов собственниками ГЭС.

Местные жители, региональные и муниципальные администрации и бизнес имеют от использования гидроэнергоресурсов высокие тарифы на электроэнергию и некомпенсируемые ущербы от наводнений и затоплений территорий в обоих бьефах плотины ГЭС. Имеются все признаки прокурорского реагирования и обращений администраций и жителей затопленных территорий бьефов плотины за компенсацией ущербов.

Кризис управления регулированием режимов Зейской ГЭС

Регулирование режимов гидроузла осуществляется:

• строго по ПИВР, противоречие которых проектным параметрам и нормативным требованиям безопасности рассмотрены выше;
• с нагрузкой на гидроагрегаты в соответствие с рыночной потребностью электроэнергии, устанавливаемой Федеральной службой по тарифам, а не водным балансом и требованиями гидрологической безопасности;
• без учёта природных изменяющихся (гидрологических и погодных) условий;
• в условиях морально устаревшего гидрологического мониторинга XIX века: на притоках всего 6 гидропостов с измерениями дважды в сутки; воднобалансовые наблюдения не проводятся; прогнозы выдаются лишь в процентах от нормы; многолетние данные мониторинга доступны лишь за плату.

Агентство водных ресурсов (Росводресурсы), утвердившее опасные ПИВРы и на его основе назначающее водные режимы, несет ответственность за неэффективное использование водных ресурсов и их негативные воздействия.

Неэффективность управления гидроэнергоресурсами наблюдается не только для Зейского гидроузла, но и для других стратегически важных, 1 класса опасности гидротехнический сооружений ГЭС Урала, Сибири и Дальнего Востока. Так, до сих пор отсутствуют Правила использования водных ресурсов Ангаро-Енисейского каскада ГЭС, наблюдаются большие объемы холостых сбросов в нижний бьеф Красноярского водохранилища на реке Енисей, Ириклинского водохранилища на реке Урал.

Мировой опыт защиты от наводнений

Обеспечение гидрологической безопасности высоких (выше 15 метров) плотин во всем мире считается стратегически приоритетной задачей. Так в США регулированием паводков плотинами занимается Инженерный корпус армии (USACE).

Международная комиссия по крупным плотинам (ICOLD) и Всемирная метеорологическая организация (ВМО) рекомендуют создавать Системы защиты от наводнений (СЗН) на основе цифровых систем мониторинга, прогнозирования и оповещения (МПО). Такие системы работают во многих странах (США, Канада, страны ЕС, Япония и др.). Например, на сайте Национальной службы погоды США (NWS) любой пользователь Интернета в режиме реального времени может получить графики или таблицы уровней воды на реках за последние 10 суток и прогноз на 10 суток вперёд (рис. 6) (http://www.weather.gov/). Кроме оперативной информации, свободно предоставляются многолетние данные наблюдений, что позволяет оценивать нормы, изменчивость и вероятностные гидрологические характеристики.

Цифровые системы МПО позволяют властям оперативно принимать решения по регулированию режимов ГТС гидроэлектростанций, в том числе меры по спасению людей в случаях развития чрезвычайных ситуаций.

Пример использования системы МПО в чрезвычайных ситуациях — авария на плотине Оровилл (Калифорния, 2017 г.). Тогда после разрушения водосброса вода начала переливаться через гребень грунтовой части плотины и размывать ее. Благодаря системе МПО из зоны возможного затопления оперативно были эвакуированы около 188 тыс. человек.

Предложения по созданию цифровой системы защиты от наводнений XXI века

Создание современной цифровой Системы защиты от наводнений (СЗН) XXI века для управления пропуском паводков через ГТС Зейской ГЭС и других ГЭС с высокими плотинами является насущной стратегически важной задачей.

СЗН целесообразнее создать в структуре Центра управления в кризисных ситуациях (ЦУКС) МЧС в виде трех систем.

Заключение и рекомендации

Выводы:

Рекомендации (организационные и нормативно-правовые):