Прогнозирование последствий чрезвычайных ситуаций на гидротехнических сооружениях Павловской ГЭС
Особую группу
специальных гидротехнических сооружений составляют гидрологические расходомеры,
т.е. устройства для измерения расходов воды на малых и средних водотоках.
По основному
строительному материалу, используемому при создании гидросооружений, они
подразделяются на сооружения:
а) из местных
строительных материалов (земляные, деревянные, каменные);
б) из
дальнепривозных материалов (бетонные, железобетонные, металлические).
Гидроузлы.
Широко
практикуемое в нашей стране комплексное использование водных ресурсов приводит
к тому, что перечисленные выше различные по водохозяйственному назначению
гидротехнические сооружения обычно группируются в те или иные комплексы по
несколько сооружений для совместного выполнения ряда водохозяйственных функций.
Такие комплексы называются гидроузлами. [2, с. 10-11].
По величине
напора гидроузлы делят на низконапорные (с напором 2-10 м), перегораживающие
речные русла и поймы, средненапорные (с напором 10-40 м) и высоконапорные (с
напором более 40 м), перегораживающие речные русла, поймы и долины.
Постоянные
гидротехнические сооружения по значению и роли в гидроузлах разделяют на
основные и второстепенные. К первым относятся сооружения, прекращение работы
которых в случае аварии или капитального ремонта приводит к полной остановке
или значительному снижению мощности гидроэлектростанции, пропускной способности
водозаборов, водопроводящих сооружений, сокращению судоходства, лесосплава,
водоснабжения. При строительстве к ним предъявляются повышенные требования.
Второстепенные
– это сооружения, прекращение работы которых не приносит значительного ущерба
водному хозяйству. К ним относятся подпорные и раздельные стенки, облицовки
каналов и берегов, струенаправляющие дамбы, ледозащитные сооружения. [6, с.
25-26].
Если
несколько гидроузлов совместно и взаимосвязанно решают комплекс
водохозяйственных проблем на значительной территории, т.е. являются
объединенными (географически, экономически, организационно) в общую систему или
гидросистемы. Ярким примером гидросистемы может служить река Волга с
расположенными в её бассейне крупными гидротехническими комплексами. [2, с.11]. (Схемы гидроузла
представлены на рис. 1.1.1, 1.1.2)
1.2 Общая
характеристика водохранилищ
Водохранилища
и их отличия от других типов водоемов.
Из всего
многообразия преобразующей деятельности человека как по своим масштабам, так и
по значению в глобальных экологических системах планеты особо выделяются два
процесса: освоение новых территорий для сельскохозяйственного производства,
промышленного и гражданского строительства и преобразование речного звена
гидросферы на огромных пространствах суши путем гидротехнического
строительства.
Гидротехническое
строительство осуществляется на всех континентах планеты. Наибольшее значение
имеют различного рода мелиорации (осушение и орошение) и создание новых водных
объектов – водохранилищ и каналов. Водохранилища – ключевые, базовые элементы
гидротехнических и водохозяйственных систем любого ранга, поскольку именно они
позволяют осуществить регулирование водных ресурсов, преобразование гидросферы
в желаемом для общества направлении.
К внутренним
водоемам относят озера, лиманы, водохранилища, пруды. Водохранилища и пруды –
очень похожие объекты. Разница между ними в размерах, но имеют значение и менее
очевидные признаки.
Водохранилищами
следует считать искусственно созданные долинные, котловинные и естественные
озерные водоемы с замедленным водообменом, полным объемом более 1 млн. куб. м,
уровенный режим которых постоянно регулируется (контролируется) гидротехническими
сооружениями в целях накопления и последующего использования запасов вод для
удовлетворения хозяйственных и социальных потребностей.
Необходимо
отметить, что использование водохранилищ связано не только с безвозвратным
изъятием воды. Для рыбного хозяйства, рекреации, охлаждения агрегатов
электростанций, поддержания гарантированных судоходных глубин в пределах
водохранилища и т.п. нужна акватория и водная масса в целом, а не только
полезный объем, т.е. ежегодно расходуемый запас воды (рис. 1.2.1, 1.2.2).
У
водохранилищ нет природных аналогов. Лишь по форме чаши с ними сходны
завально-запрудные озера. Здесь следует отметить наиболее важные особенности
водохранилищ.
1.
Водохранилища
– антропогенные, управляемые человеком объекты, но они испытывают и сильнейшее
воздействие природных (прежде всего гидрометеорологических) факторов, поэтому
как объекты изучения, использования и управления занимают промежуточное
положение между «чисто природными» и «чисто техническими» образованиями. Это
дает им право именовать их природно-техническими системами.
2.
Водохранилища
заметно, а нередко и значительно воздействуют на окружающую среду, вызывая
изменения природных и хозяйственных условий на прилегающих территориях.
Естественно, что наряду с заранее запланированными благоприятными последствиями
возникают также и последствия негативного, неблагоприятного характера.
3.
Водохранилищам
свойственна особая система так называемых внутриводоемных процессов –
гидрологических, гидрофизико-химических и гидробиологических.
4.
Водохранилища
– водоемы, наиболее интенсивно используемые различными отраслями хозяйства. На
каждом значительном водохранилище формируется водохозяйственный комплекс (ВХК).
Среди компонентов ВХК, т.е. всех отраслей хозяйства, использующих водохранилище
и реку в нижнем бьефе, выделяют отрасли, заинтересованные в создании
водохранилища и финансирующие его. Остальные отрасли используют водохранилище,
поскольку оно существует. Участники ВХК предъявляют различные, а подчас
противоречивые требования к режиму использования водохранилищ.
5.
Для
водохранилищ как природно-хозяйственных объектов характерна чрезвычайно высокая
динамичность развития (эволюции).
Рассмотрим
кратко эти принципиальные особенности.
Водохранилища
– управляемые объекты. Это означает, что основные параметры водохранилища
(объем, площадь, место расположения и режим регулирования), а вместе с ними и
многие другие характеристики определяются человеком на стадии проекта; в
составе гидроузлов имеются специальные технические системы, сооружения, и устройства
(гидротурбины, водосбросные отверстия с затворами), позволяющие менять объем и
уровень воды в водохранилище. Главная особенность решений, связанных с
эксплуатацией водохранилищ, - некоторая неопределенность, обусловленная
стохастическим характером направленности и интенсивности гидрометеорологических
процессов в водосборном бассейне.
Водохранилища
следует рассматривать как природно-технические системы, комплексы, которые
состоят из природной и технической подсистем, диалектически связанных между
собой. Учет этого взаимодействия может существенно увеличить возможности
рационального и комплексного использования водохранилищ, а игнорирование –
привести к значительным потерям. Управляя технической подсистемой водохранилищ,
человек может вызвать развитие таких процессов, явлений и эффектов в природной
подсистеме, которые он пока не в состоянии предотвратить, либо их преодоление
требует значительных затрат трудовых и материальных ресурсов. Поэтому
управляемыми объектами водохранилища можно считать лишь частично.
Непосредственно и полностью человек управляет только запасами воды, а
экосистемой и геосистемой водохранилища – частично и косвенно.
При создании
водохранилищ происходят многообразные изменения природных и хозяйственных
условий на территориях, как непосредственно прилегающих к новому водоему, так и
на удаленных от него вниз по течению реки. Масштабы, глубина и направленность
этих изменений определяются размерами нового водоема (площадь, объем водной
массы, длина, ширина) и своеобразием природных условий района, которые могут
ослаблять или, наоборот, усиливать влияние водохранилища.
Когда
говорят, что водохранилищам присуща особая система внутриводоемных процессов,
имеют в виду, что свойственные им гидрологические, гидрофизико-химические и
гидробиологические процессы не идентичны тем, которые наблюдаются в других
водных объектах – озерах, реках и каналах. Ведущими факторами, определяющими
специфику взаимосвязанных и взаимообусловленных внутриводоемных процессов в
водохранилищах, служат водообмен и уровенный режим водоема. Один из показателей
водообмена – период, в течение которого происходит полная смена водной массы:
для водохранилищ разного типа он может составлять от нескольких суток до
нескольких лет.
Амплитуда
колебаний уровня воды в разных водохранилищах изменяется также в широких
пределах – от нескольких десятков сантиметров для равнинных водохранилищ, до
многих десятков и даже более 100 м для горных водохранилищ (рис. 1.2.3).
Именно эти
факторы и отличают условия развития внутриводоемных процессов в водохранилищах
от тех, которые характерны для озер и рек. Проявляется это в том, что в
водохранилищах создаются активные гидродинамические зоны транзитного стока,
т.е. направленного движения воды к плотине, и образуются зоны водоворотных
циркуляций, когда частицы воды перемещаются по очень сложным замкнутым
траекториям. Наличие такой сложной гидродинамической структуры определяет
многие важные для водоемов особенности: формирование и движение водных масс;
термический, газовый и биогенный режимы; перемещение и осаждение минеральных и
органических взвесей; процессы самоочищения воды и, наконец, жизненно важные
условия обитания бактерий, организмов, живущих в толще воды (планктон), донных
организмов (бентос), водная растительность, рыб.
Процессы
трансформации вещества и энергии в водохранилищах имеют иные, чем в озерах и
реках, масштабы, направленность, интенсивность и длительность. Это выражается в
показателях качества воды, в структуре и продуктивности водных систем. В целом
водохранилища можно рассматривать как своеобразные огромные преобразователи и
аккумуляторы вещества и энергии, но только не автономные, как, например, озера.
Рекам же, в отличие от водоемов с замедленным водообменом, наоборот,
свойственен поточный механизм преобразования вещества и энергии.
Этот
накопительный эффект водохранилищ имеет как положительные (осветление воды,
снижение ее цветности, уменьшение содержания вредных бактерий), так и
отрицательное значение (уменьшение самоочищающей способности воды, образование
застойных зон, больше, чем в реках, прогревание воды, особенно на мелководьях,
и как следствие – евтрофирование новых водоемов). Характерные примеры
евтрофирования водохранилищ: избыточное развитие сине-зеленых водорослей
(цветение воды), чрезмерное продуцирование биомассы водной растительности
(заболачивание акваторий).
Возрастающее
экономическое значение водохранилищ выражается в формировании водохозяйственных
комплексов – они оказываются вовлеченными в систему связей и отношений не
только собственно водохозяйственных, но и социально-экономических, т. к. со
временем и другие отрасли хозяйства оказываются заинтересованными в его
использовании.
И, наконец,
несколько слов еще об одной принципиальной особенности водохранилищ – высокой
их динамичности как природно-хозяйственных объектов. Эта динамичность
обусловлена тремя факторами:
1)
изменчивостью
гидрометеорологических процессов, определяющих гидрологический режим водоема;
2)
стремительным
изменением воздействия хозяйства на природную среду, в том числе и на водоемы;
3)
изменениями
по разным причинам режима эксплуатации водохранилищ.
Совокупное
воздействие указанных факторов приводит к тому, что водохранилища крайне редко
можно считать стационарными объектами, эволюцию которых легко и однозначно
определить на основе прошлой предыстории. Поэтому если и говорится о каком-либо
равновесном состоянии водохранилищ, то всегда подразумевается динамическое
равновесие их как природно-хозяйственных объектов, которое может резко
нарушится при изменении любого из указанных выше факторов. Динамичность
водохранилищ проявляется во всех их характеристиках, но, пожалуй, наиболее ярко
– в процессах формирования берегов, изменения качества воды, структуры и
продуктивности водных и наземных (в береговой зоне) экосистем. В специальной
литературе иногда даже употребляется термин «эволюция водохранилищ», однако
если эволюция озер продолжается в течение многих сотен и тысяч лет, то в
водохранилищах существенные изменения основных процессов и явлений происходят
по крайне мере на порядок быстрее. Если в озерах изменение носит степенный и
направленный («правильный») характер, то водохранилища развиваются циклически и
скачкообразно в соответствии с соотношением изменений ведущих факторов. [7,
с.9-13].
Классификация
водохранилищ.
Более 30 тыс.
водохранилищ земного шара, эксплуатируемых в настоящее время, существенно
различаются между собой по параметрам, режимным характеристикам, направлению
хозяйственного использования и воздействию на окружающую среду.
Для решения
многих не только научных, но и практических вопросов проектирования, создания и
использования водохранилищ особое значение приобретает упорядочение и
систематизация колоссального объема разнообразных сведений и данных о
водохранилищах. Необходимый начальный этап универсальной систематизации
водохранилищ – разработка частных (по отдельным критериям, параметрам и
признакам) классификаций и типизаций. Здесь следует охарактеризовать наиболее
важную из них – типизацию по генезису.
Типизация по
генезису. В
основу типизации водохранилищ может быть положен, прежде всего, признак
генезиса, указывающий на способ их образования. Естественные емкости, в которых
аккумулируется вода, принято называть чашами водохранилищ (рис. 1.2.6).
Используя этот признак, следует различать
·
водохранилища
в долинах рек, перегороженных плотинами, в том числе и на временных водотоках;
·
наливные
водохранилища;
·
зарегулированные
озера;
·
водохранилища
в местах выхода грунтовых вод и в карстовых районах;
·
водохранилища
прибрежных участков моря и эстуариев, отделенных от открытого моря дамбами. [7,
с.18-19].
Типы,
параметры и характеристики водохранилищ.
Водохранилища
могут быть в виде крытых резервуаров, открытых бассейнов типа прудов-копаней,
лиманов, и водоемов, образованных плотинами (плотинные водохранилища).
Крытые
резервуары, открытые бассейны и лиманы обычно отличаются незначительным объемом
и находят себе применение в водоснабжении и обводнении в качестве резервуаров
суточного регулирования. Открытые бассейны, образованные обвалованием,
используются также и для суточного регулирования на ГЭС.
Плотинные
водохранилища (рис. 1.2.4) отличаются значительным объемом и позволяют
осуществлять сезонное и многолетнее регулирование стоков. Они получили широкое
распространение в практике водохозяйственного строительства.
Водохранилище
плотинного типа имеет следующие элементы:
·
плотина,
·
водозаборные
сооружения для изъятия необходимого количества воды,
·
водосбросные
устройства для сбросов излишков воды,
·
устройства
для промыва насосов при значительном количестве последних.
Кроме этого,
плотинные водохранилища характеризуются величиной полезного объема, или так
называемой сливной призмой, величиной мертвого объема (МО) и соответствующими
характерными уровнями воды. [6, с. 316].
Главная цель
создания водохранилищ – регулирование стока. Оно делается в основном в
интересах энергетики, ирригации, водного транспорта, водоснабжения и в целях
борьбы с наводнениями.
Для этого в
водохранилищах аккумулируется сток в одни периоды года и отдается в другие
периоды.
Период
аккумуляции стока называется наполнением водохранилища, а процесс отдачи
накопленной воды – сработкой водохранилища. Как наполнение водохранилища, так и
его сработка производятся всегда до более или менее определенных уровней (рис.
1.2.5). Высший проектный уровень водохранилища (верхнего бьефа плотины),
который подпорные сооружения могут поддерживать в нормальных эксплуатационных
условиях в течение длительного времени, называется нормальным подпорным уровнем
(НПУ). На нормальный подпорный уровень рассчитываются как сооружения инженерной
защиты, так и все промышленные, транспортные, коммунальные и другие сооружения,
располагающиеся на берегах водохранилища. Минимальный уровень водохранилища, до
которого возможна его сработка в условиях нормальной эксплуатации, называется уровнем
мертвого объема (УМО). Объем воды, заключенный между НПУ и УМО, называется полезным,
так как именно этим объемом воды и можно распоряжаться в различных
хозяйственных и других целях. Объем же воды, находящийся ниже УМО, называется мертвым,
так как использование его в нормальных условиях эксплуатации не
предусматривается.
Пропускная
способность гидроузла (его турбин, водосливных пролетов, донных отверстий,
шлюзов) по экономическим и реже техническим соображениям ограничена. Поэтому когда
по водохранилищу идет расход редкой повторяемости (раз в сто, тысячу, а то и
десять тысяч лет), гидроузел не в состоянии пропустить всю массу воды, идущую
по реке. В этих случаях уровни воды на всем водохранилище и у плотины
повышаются, увеличивая его объем иногда на значительную величину; одновременно
увеличивается пропускная способность гидроузла. Такой подъем уровня выше НПУ в
период прохождения высоких половодий редкой повторяемости называется форсированием
уровня водохранилища, а сам уровень – форсированным подпорным (ФПУ), или
уровнем катастрофического паводка. На водохранилищах, используемых для водного
транспорта или лесосплава, сработка уровня в период навигации ограничивается
уровнем, при котором речной флот по состоянию глубин может продолжать
нормальную работу. Этот уровень, находящийся между НПУ и УМО, называется уровнем
навигационной сработки (УНС). Уровни воды, в особенности при НПУ и ФПУ, у
плотины, в средней и верхней зонах водохранилища не одинаковы. Если у плотины
уровень соответствует отметке НПУ, то по мере удаления от нее он повышается
вначале на сантиметры, а затем и на десятки сантиметров, а в отдельных случаях
и на один-два метра. Это явление носит название кривой подпора. [7, с.13-15].
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13
|