CC BY
79
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №12/2015 ISSN 2410-700Х_
УДК 631.7.627.834.
Квасов Петр Андреевич
ст.научный сотрудник КазНИИЭ, г.Алматы, РК
Е-mail: ptrk77@mail.ru
НОВЫЕ ПОДХОДЫ К СТРАТЕГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА ПРОТИВОПАВОДКОВЫХ СООРУЖЕНИЙ
Аннотация
Приведены критическая характеристика схем противопаводковой защиты в Юго-Восточном Казахстане, причины разрушения сооружений при пропуске паводков и предлагаемые новые подходы к комбинированному противопаводковому и энергетическому использованию водохозяйственных сооружений с применением новой конструкции ГЭС, оборудованной плотиной с плавкой вставкой.
Ключевые слова
Противопаводковая защита, новые подходы, комбинированное использование сооружений.
Прошедшие весной 2015 г. катастрофические паводки привели к затоплению 1 тыс.149 домов в 17 районах Акмолинской, Карагандинской, Костанайской, Восточно-Казахстанской, Павлодарской, СевероКазахстанской областях, на 89 участках подтоплено и размыто 173 км автодорог, в т.ч. и республиканского значения, разрушено 5 мостов, из зоны затопления было эвакуировано 16 тыс.63 человека. По данным Департамента ЧС МВД РК, такого массового одномоментного подтопления не отмечалось за весь период наблюдений. Это свидетельствует о крайне неудовлетворительной работе как систем противопаводковых мероприятий, так и отдельных провопаводковыхгидротехнических сооружений (ГТС), не обеспечивающих безаварийную работу.
Летом 2015г. в пригороде г. Алматы на р.Талгар и р. Каргалинка селевые паводки, сопровождавшиеся разрушением зданий, занесением городских территорий, подчеркнули несовершенство существующей системы селезащиты и острую необходимость совершенствования как противоселевых конструкций, так и методов управления подобными системами. В связи с этим становится очевидным и понятным, почему USAID, реализующий в настоящее время проект информационно-дистанционной системы оценки рисков возникновения быстро развивающихся паводков, определил Казгидромет в качестве регионального Центрально-Азиатского центра, что свидетельствует об актуальности этой проблемы для РК.
В Государственной Программе управления водными ресурсами Казахстана (утвержденной Указом Президента РК № 786 от 4.04.2014 г.) отмечалось:
- тенденция роста материального ущерба от вредного воздействия паводков;
- ожидается существенный дефицит водных ресурсов в размере до 12 км3 (50% от потребности);
- низкая эффективность использования водных ресурсов в Казахстане: на 1 доллар ВВП расходуется в 3 раза больше воды, чем в России или США, и в 6 раз больше, чем в Австралии;
- методы и механизмы управления водными ресурсами нуждаются в усовершенствовании, при этом мега-проекты представляются одним из возможных путей решения проблемы.
По нашему мнению, оптимальным решением проблемы будет бассейновый подход в управлении водными ресурсами, а ключевым моментом здесь является комплексное использование (энергетическое и противопаводковое) существующих и намечаемых к строительству водохозяйственных схем и гидросооружений. Поэтому научное обоснование такого подхода становится чрезвычайно актуальным и востребованным [1,2,3].
Проведеный анализ катастроф и аварий на ГТС показал, что в подавляющем числе случаев причинами являются неудовлетворительная работа водосбросов и гасителей энергии в нижним бьефе сооружений. Объекты ГТС должны оснащаться современными конструкциями независимых (возобновляемых) источников энергии (ВИЭ) для энергообеспечения приборов учета, наблюдения и реагирования в аварийных
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №12/2015 ISSN 2410-700Х_
ситуациях. Поэтому чрезвычайноактуальными и востребоваными являются новые современные технические решения, связанные с безаварийной работой катасторофических водосбросов и гасителей энергии. Большая вероятность возникновениия сейсмоселей, как это не раз было в прошлом, выдвигает в число приоритетных задач совершенствование как самих противоселевых конструкций, так и методов их динамического расчета, требует принятия нестандартных решений. Применение современных средств автоматизации и альтернативных автономных ВИЭ позволяет устранить причины возникновения черезвычайных и аварийных ситуаций, дистанционно осуществлять мониторинг и управлять режимами работы ГТС.
Критический анализ состояния ГТС энергетического и водохозяйственного назначения показал их значительный физический и моральный износ, а выполненное в институте гидрогеологии МОН РК уточнение (увеличение) коэффициентов стока с водосборной поверхности, обусловленное антропогенным воздействием, приводит к увеличению расходов, значительно превышающих принятые при проектировании. Это несоответствие требует незамедлительной корректировки - модернизации водосбросов и гасителей действующих сооружений, обеспечения их безусловной устойчивости [4,5].
Проведенный анализ литературных источников и натурное обследование объектов, подвергшихся воздействию паводков, позволили выявить основные причины неудовлетворительной работы ГТС[1]:
- недостаточная пропускная способность водосбросов, обусловленная изменениями условий формирования стока на антропогенно преобразованных водосборах, несовершенство методики расчета паводков;
- неудовлетворительная работа нижнего бьефа, что связано с несовершенством методики расчета и не учетом особенностей гидравлики нижнего бьефа;
- отсутствием надежной, обоснованной теоретически и экспериментально методики расчета противоселевых сооружений на динамические нагрузки, определяющие устойчивость как самой конструкции в момент удара, так и устойчивость нижнего бьефа при переливе селя через гребень плотины;
- отсутствие автоматизации, средств дистанционного контроля и мониторинга за состоянием сооружения.
Анализ прохождения селя на реке Хоргоз дал возможность оценить проектные решения и сформулировать рекомендации по разработке схем водохозяйственных и противоселевых мероприятий [2,4]:
- для решения частной задачи - защиты МЦПС «Хоргос» и расположенных ниже по течению сооружений и поселков необходимо комплексное и экономически обоснованное решение проблемы селе- и противопаводковой защиты бассейна р. Хоргос;
- схема селезащиты на р. Хоргос должна быть комплексной, учитывать новые гидрологические факторы, оценку эффективности сооружений на верхнем и нижнем участках реки, необходимость разработки новых, обоснованных математическим моделированием и гидравлическими исследованиями ГТС и селезащитных конструкций, учитывать мировой опыт селезащиты;
- в государственной программе управления водными ресурсами Казахстана отмечается, что некоторые ключевые методы и механизмы управления водными ресурсами недостаточно развиты и нуждаются в усовершенствовании. Не учитывается, в частности, переход на бассейновый принцип управления водными ресурсами, возросшее финансирование водохозяйственной инфраструктуры, что способствовало бы повышению ее безопасности. Фрагментарные формы собственности на объекты ГТС препятствуют их эффективному, комплексному - ирригационному, водохозяйственному, энергетическому использованию, приводят к отсутствию системного подхода с учетом интересов всех отраслей;
- в условиях финансового кризиса оптимальным является не строительство крупных дорогостоящих объектов в основном русле рек, а перенос центра тяжести и строительство малых водохозяйственных и энергетических плотин на притоках. Эта новая концепция использования водоподъемных плотин с плавкой вставкой и использованием возобновляемых источников энергии, применением гидроагрегатов нового типа, разработанных в КазНИИЭнергетики, по сути, меняет региональную стратегию противоселевого и водохозяйственного строительства, существенно удешевляя его и обеспечивая экологическую устойчивость территории;
- при реализации этой стратегии в первую очередь предполагается осуществить наиболее эффективные
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №12/2015 ISSN 2410-700Х_
мероприятия, при этом возможны различные формы собственности для привлечения частного капитала к финансированию. Использование частного капитала является наиболее современной формой финансирования проектов, т.к. позволяет снизить нагрузку на бюджет, разделить инвестиционные и операционные риски, привлечь навыки частного сектора к управлению проектами и повышению капитальных вложений [6] .
Предлагается новый бассейновый подход к управлению водными ресурсами и новая конструкция ГТС, позволяющая реализовать этот подход на практике, обеспечивая при этом повышение эффективности и комплексное использование водных ресурсов бассейна.
Особенности предлагаемой новой конструкции ГТС:
- соблюдение экологических требований - ограничение уровней верхнего бьефа за счет устройства плавкой вставки и отсутствие водохранилища;
- новая схема сопряжения потоков нижнего бьефа - отброс струи трамплином и его соударение с потоком от гидроагрегата;
- автоматизация процесса - срабатывание плавкой вставки при превышении уровня верхнего бьефа;
- реализуется новый принцип работы гидроагрегата - не максимум локального отбора энергии, а минимум стоимости единицы энергии. Минимальную стоимость энергии обеспечивают не те агрегаты, которые имеют максимальный КПД, а более дешевые в изготовлении и надежные в эксплуатации;
- при одинаковых строительных и эксплуатационных качествах предпочтение отдается не агрегату с максимальным КПД, а гидротурбине с максимальной среднегодовой выработкой на единицу массы или стоимости.
Использование водохозяйственного и гидроэнергетического потенциала региона намечается с помощью каскадов традиционных и свободнопоточных малых ГЭС (МГЭС), а не путем сооружения высоконапорных ГЭС с крупными водохранилищами, как это предлагалось ранее КазНИИЭнергетики. Причем суммарная установленная мощность каскадов МГЭС на семи реках - Бухтарме, Убе, Курчум, Кальжир, Ульбе, Тургусун, Громотуха, по нашим расчетом, оценивается в 1941 Мвт с выработкой 11,1 млрд. кВт-ч. По предложению КазНИИЭнергетики, этот потенциал можно реализовать строительством 36 крупных ГЭС установленной мощностью 2455 Мвт и выработкой 14,73 млрд. кВт-ч. Мощность малых ГЭС рассчитывается, как правило, по водотоку с высокой степенью обеспеченности. Использование установленной мощности для них оценивается в 6000 часов в год. Это означает, что 1 киловатт установленной мощности МГЭС вырабатывает около 6000 кВт-ч в год и способен предотвратить эмиссию СО2 в размере: 0,77 кг*6000 кВт-ч = 4620 кг в год.
Сооружение предлагаемых МГЭС замещает электроэнергию, вырабатываемую на пылеугольных ТЭС. Новая конструкция ГТС позволяет избежать нежелательных воздействий традиционных ГЭС на природную среду, которые, по мнению российский экологов сводятся к следующему: ухудшение рыбохозяйственных условий, масловыбросы, промышленные стоки; переработка берегов; эвтрофирование; поступление нефтепродуктов; затопление земель; изменение флоры; подтопление участков; потеря леса; образование мелководий.
По мнению американских экологов, факторы воздействия ГЭС на окружающую среду с оценкой ущерба (на примере строительства ГЭС на р. Салтан) в 10-3долл/кВт-ч выглядят так: (11-12)*10-3долл/кВт-ч приведенного ущерба, что означает в абсолютных величинах 4,7-5,4 млн. долл. ежегодно. Если же эту сумму отнести к 1 км теряемого свободного течения реки, то получим 300-340 тыс. долл. за 1 км. Применение свободнопоточных ГЭС практически устраняет нежелательные последствия воздействия традиционных ГЭС на окружающую среду.
Предлагаемая плотина включает береговые устои, бычок с трубой, в которой размещается свободнопоточная ГЭС, плотину - "плавкую" вставку в виде эластичной водоналивной емкости с отверстиями для заполнения емкости водой и отверстиями для выпуска воздуха и воды из емкости и флютбет (рис.1). Грань водоналивной емкости со стороны нижнего бьефа снабжена несущими балками, соединенными с береговыми устоями и бычком. На рис.1 изображена плотина в поперечном разрезе.
Флютбет и водоналивная емкость идут как одно целое. Емкость заполняется речной водой.
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №12/2015 ISSN 2410-700Х_
Водоналивная емкость изготовляется из синтетического материала. В нее вварены клапаны для впуска-выпуска воды и воздуха. Устойчивость от возможного сдвига плотины обеспечивают несущие балки, которые передают на береговые опоры и бычок нагрузки от давления.
Рисунок 1 - Плотина в поперечном разрезе
Подобное оборудование пользуется большой популярностью в США, Евросоюзе и других развитых странах для защиты от паводков. Их преимущества: надежность, небольшая цена, мобильность, возможность автоматизации и дистанционного контроля, управления, мониторинга.
Предложенная концепция использования водоподъёмных плотин с плавкой вставкой, по сути, меняет региональную стратегию противоселевого и водохозяйственного строительства, существенно удешевляя его и обеспечивая экологическую устойчивость и безопасность территории, а предлагаемые новые запатентованые конструкции противоселевых сооружений и водоподъемных плотин позволяют реализовать как предлагаемую концепцию, так и региональную стратегию водохозяйственного и противоселевого строительства, экономически обосновывая существенное снижение стоимости рекомендуемых мероприятий при безусловном выполнении требований департамента экологии и ЧС. Список использованной литературы:
1. Отчет НИР АО «КазНИИЭнергетика им. академика Ш.Ч. Чокина» "Теоретические и экспериментальные исследования малонапорных гидротурбин для малых ГЭС" , исполнители Кошумбаев М.Б., Квасов П.А. , Ержан А.А. 2015г., с.145.
2. Квасов П.А. Калиев С.М. Ордабаев М.К. Материалы международной научно-практической конференции "Техносферная Безопасность"; Наука и практика. «Особенности образования cбойного течения». Бишкек 2015 с.86
3. Кошумбаев М.Б. Квасов П.А. Абдурасулов И.А. Материалы международной научно-практической конференции "Техносферная Безопасность"; Наука и практика. «Energy Saving and Renewable Energy». Бишкек 2015 с.98.
4. Квасов П.А. Критический анализ работы сооружений при селепроявлениях на р. Хоргос 18-22 июня 2010 года. Наука и новая технология, №7. Бишкек: Изд-во НЖ и ДХЛ, 2013, с.
5. Кошумбаев М.Б., Квасов П.А., Ержан А.А., Мырзакулов Б.К., Аюбаев Т.М. Гидротехнические сооружения и ГЭС: Противоселевые и противопаводковые мероприятия // Энергетика и топливные ресурсы Казахстана, № 11 октябрь 2012 г. - с. 62-65.
6. Кошумбаев М., Ержан А., Мырзакулов Б., Квасов П. 2-nd International Conference on ITMAR «Theoretical and Experimental Researches on Development of New Construction of Wind-Driven Generator with Flux Concentrator» 20-21октябрь 2015 с. 58. Стамбул. Турция (с Имракт-фактором, в печати).
© Квасов П.А., 2015
