Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 23.

• Катастрофические последствия наводнений - результат интервенции человека в природу
  
• Решение прикладных проблем ведет к решению фундаментальных задач
  
• Российская гидроэнергетика: жизнь продолжается
  

Катастрофические последствия наводнений - результат интервенции человека в природу

З. Д. Копалиани, зам. директора
Государственного Гидрологического института
(Санкт-Петербург)

Государственный Гидрологический институт (ГГИ) занимается изучением широкого круга проблем, связанных с рациональным использованием водных ресурсов, с их охраной от истощения и загрязнения, проектированием и эксплуатацией водохозяйственных объектов. Теоретические и прикладные исследования института направлены на решение водно-экологических проблем, на удовлетворение запросов различных отраслей народного хозяйства, связанных с использованием водных ресурсов. Институт курирует гидрологическую сеть страны и ведет гидрологические обоснования различных инженерно-технических проектов.

На симпозиуме МАГИ будут работать четыре секции, тематика одной из которых - «Гидрологические и метеорологические факторы, русловые деформации и их учет при принятии технических решений» - наиболее близка тематике научных исследований института. Доклады наших сотрудников будут прочитаны именно здесь.

В сферу деятельности института (как прямая его обязанность) входит составление нормативных документов по определению расчетных гидрологических характеристик для проектирования гидротехнических сооружений, так называемых СНиП (Строительных норм и правил). Новым нормам и правилам будет посвящен на симпозиуме отдельный доклад «Новая система нормативных документов по определению расчетных гидрологических характекристик». По некоторым позициям корректировка расчетных методов, представленных в этом документе, весьма существенна.

Кроме того, предыдущая система СНиП, сформированная еще в советское время, была чересчур формализована, обобщена. В новых - появилась возможность учитывать региональные особенности. Вопрос о «региональных» СНиП также будет поднят на симпозиуме.

Будет представлена также группа докладов по русловым процессам. Отдел русловых процессов и гидравлическая лаборатория ГГИ (включенная в регистр наиболее важных экспериментальных объектов национальной значимости) осветят различные аспекты своей научной деятельности.

Доклад заведующего отделом русловых процессов Б. Снищенко «Система прогнозов русловых деформаций как фактор надежности гидротехнических сооружений» будет посвящен важной проблеме учета и предотвращения неблагоприятных русловых деформаций при строительстве гидросооружений.

Еще один доклад этого автора будет посвящен мониторингу сооружений. В процессе их эксплуатации значительно меняется гидрографическая сеть. Существуют так называемые «активные» сооружения, которые меняют функции реки на данном участке, а есть такие, которые сами подвержены влиянию со стороны реки. Так, например, существенно меняет функцию реки плотина: там, где она находится, на участках верхнего и нижнего бьефов создаются зоны аккумуляции и эрозии наносов. Важно заранее просчитать, как будет заноситься верхний бьеф, как будет размываться нижний, как это повлияет на судьбу строящихся и уже существующих сооружений, как хозяйство в районе гидроузла должно быть приспособлено к новым условиям работы и т.д.

Один из докладов будет посвящен опыту ГГИ в решении гидротехнических проблем с использованием гидравлического моделирования. Мы расскажем о том, какими путями решались конкретные задачи, поставленные перед институтом.

Профессор Ю. Виноградов представит работу «Принципы динамико-стахастического моделирования процессов формирования селевых потоков в целях селезащитного проектирования». Селевые потоки - грозное явление. Катастрофические последствия его для жизни и деятельности человека известны всем. Сейчас в России немало селеопасных районов на Северном Кавказе и на юге Сибири, в Забайкалье. Доклад будет посвящен проблеме защиты строящихся сооружений от селевых потоков, недопустимости строительства в селеопасных зонах.

Профессор И. Карасев представит сообщение на тему экологических аспектов регулирования расходов воды в нижних бьефах гидроузлов. Как отличаются экологические условия рек ниже плотины при различных режимах регулирования водохранилища? Значимость этого вопроса весьма велика. Были случаи, когда нарушение экологического равновесия в районе при строительстве гидросооружений косвенно служило причиной гибели людей. Причем нормализовать экологическую ситуацию в районе гидроузла после строительства гораздо сложнее, чем построить сам гидроузел.

Одно из сообщений «Расчет наивысших уровней воды рек, обусловленных ледовыми явлениями при строительном проектировании в России» будет непосредственно связано с важной проблемой наводнений в результате ледовых явлений.

Доказательств важности этой проблемы искать не надо. Все прекрасно помнят последствия недавнего наводнения в Ленске.

Наводнения - проблема мировая, она существует не только в России. Особенно важна она для таких стран, как Бангладеш, где до 80% территории покрывается водой. В Японии затапливается лишь 10% территории, но на этой территории сосредоточено 75% национального имущества. Поэтому отношение к этой проблеме очень серьезное.

Между прочим, 30% наводнений в европейской части России и 50% в восточной обусловлены заторными явлениями. С точки зрения распространения ледовых заторов и, соответственно, наводнений из всех рек наиболее опасна Лена. Практически все большие города на этой реке расположены непосредственно в пойме или недалеко от нее. Наиболее неблагоприятен в этом отношении Якутск. В районе Ленска вода выходит в пойму один раз в 11 лет. А вот в районе Якутска - 8 раз в 10 лет.

Самое главное - в России до сих пор нет законодательства, предусматривающего ответственность за ущерб, причиненный наводнениями. Считается, что наводнение - это стихийное бедствие. Хотя, если честно, это бедствие вряд ли можно назвать стихийным в отличие от землетрясения или извержения вулкана. Во-первых, наводнения можно прогнозировать. Во-вторых, их можно регулировать водохранилищами и дамбами. И, в-третьих, можно правильно построить взаимоотношения человека с рекой. Хозяйственный ущерб вследствие наводнения это результат интервенции человека на территорию реки. В ряде стран ответственность за последствия наводнений несет местная администрация. Там определена степень риска для населения и предприятий, существует система страховок на случай паводковой опасности, привлекаются научные организации для решения конкретных задач по прогнозированию и предотвращению возможной опасности. И это правильная стратегия: необходимо не ликвидировать последствия беды, а предотвращать ее.

наверх

Решение прикладных проблем ведет к решению фундаментальных задач

Н. В. Арефьев, зав. кафедрой
Инженерной мелиорации, гидрологии и охраны окружающей среды
Санкт-Петербургского государственного технического университета

Как вы знаете, МАГИ - Международная ассоциация по гидротехнике и гидравлическим исследованиям. Это очень авторитетная организация, объединяющая научно-исследовательские организации всего мира. В последние годы одной из главных тем, рассматриваемой в том числе на различных симпозиумах, является тема влияния гидротехнических сооружений на окружающую среду. Очень часто эти сооружения обвиняют в грехах, которые им не присущи. Второй основной вопрос - безопасность гидротехнических сооружений и гидроэнергетических установок с точки зрения технических объектов и безопасность в связи с возможными авариями и стихийными бедствиями. Третье - новые технологии, математические модели и методы, применяемые при строительстве и реконструкции гидротехнических сооружений. Кроме того, традиционно поднимается вопрос последних достижений инженерных исследований в области гидравлики, инженерной гидрологии и различных областей, связанных с ними.

В Санкт-Петербургском государственном техническом университете основной факультет, работающий с организацией МАГИ, бывший гидротехнический, ныне - инженерно-строительный. На нашем факультете есть две кафедры, связанные с основной проблематикой МАГИ: кафедра гидравлики и кафедра инженерной мелиорации, гидрологии и охраны окружающей среды. Кроме того, огромный вклад вносят кафедра возобновляющихся источников энергии, решающая, в частности, проблемы гидростанций, кафедра экологических объектов природопользования, на которой более подробно рассматриваются вопросы экологии и воздействия гидроэлектростанций на окружающую среду, а также кафедра морских и воднотранспортных сооружений.

Сотрудники обеих профилирующих кафедр будут присутствовать на Международном симпозиуме «Гидравлические и гидрологические аспекты надежности и безопасности гидротехнических сооружений». Поскольку симпозиум - мероприятие, где рассматриваются крупные проблемы, решаемые группами ученых, то, как правило, туда подаются доклады коллективные, рассматривающие общую проблему, части которой решают отдельные сотрудники. Например, мы с Ю. С. Васильевым, президентом СПбГТУ, академиком РАН, бывшим заведующим кафедрой возобновляющихся источников энергии, и двумя нашими коллегами подготовили доклад «Вопросы безопасного управления энерговодохозяйственного комплекса гидроэлектростанций с использованием геоинформационных технологий».

В последние годы, в связи с бурным развитием информатики, развиваются и так называемые геоинформационные технологии (ГИС), позволяющие рассматривать различные решения не просто в виде уравнений и формул, а на электронных картах. Такие электронные системы позволяют объединить математические модели и графические (образные) средства представления результатов, понятные для человека.

В нашем докладе представлены результаты исследований по разработке ГИС для мониторинга влияния гидротехнических сооружений на водные ресурсы. ГИС разрабатывается как система поддержки принятия решений. Кроме стандартных инструментальных средств, эта ГИС содержит модели пространственного анализа, предсказания развития процессов и явлений, имеющих место на управляемой территории. При разработке ГИС в качестве основы используется бассейново-ландшафтный подход. Этот подход облегчает процесс моделирования, позволяет проще интегрировать результаты моделирования в среде ГИС и организовывать эффективную информационную поддержку принятия решений. Разработанная ГИС используется для мониторинга влияния гидротехнических сооружений на водные ресурсы рек, впадающих в Лужскую губу в Финском заливе в районе строительства порта (Ленинградская область).

На нашей кафедре работает профессор М. А. Михалев, известный ученый в области фундаментальных проблем гидрологии, стока, моделирования сложных течений, размывов русел вследствие работы гидроэлектростанций (русловых деформаций).

Последняя из названных проблем сейчас одна из основных в Европе в связи с наличием большого количества гидроэлектростанций. Проблема заключается в том, что песчаные речные наносы оседают в водохранилищах, а в нижний бьеф сбрасывается чистая вода, которая размывает русло.

В частности, в Австрии, где я одно время работал, была очень большая проблема с размывом русла реки в Вене. Гидроэлектростанцию построили прямо в черте города, и в нижнем бьефе происходил размыв. Река проседала в русло, соответственно понижая уровень грунтовых вод.

А водоснабжение в Европе в основном осуществляется за счет подземных источников. И скважины перестали работать. Единственной действенной мерой там стало искусственное привнесение песка в русло реки с помощью барж.

Профессор М. А. Михалев работает как раз в области моделирования этих процессов и подготовил для предстоящего симпозиума фундаментальный доклад по вопросам моделирования процессов размыва русел в районе эксплуатируемых гидроэлектростанций, а также возможных мероприятий по ликвидации нежелательных последствий. В докладе обсуждаются методы получения критериальных уравнений и критериев из комбинаций чисел подобия. В основу решений проблемы положена теория подобия. Приводятся примеры физического моделирования русловых процессов, в которых предлагаемый метод был использован.

Кроме того, на симпозиуме будут подняты и другие проблемы, разрабатываемые сотрудниками Государственного технического университета. Несмотря на то, что в последнее время субсидирование прикладных наук невелико, наши наработки хорошо известны за рубежом, мы решаем финансовые проблемы, работая для зарубежных объектов. В частности, последние два года мы ведем работы по решению задач проектирования и строительства Тяньваньской атомной электростанции в Китае. Сама станция строится по стандартным чертежам. Проблема же заключается вот в чем. Атомная и тепловая электростанции требуют воды для охлаждения контуров. Охлаждающая вода подается из так называемого охладителя - какого-нибудь водоема, реки или напрямую из моря. Тяньваньская станция для охлаждения использует воду из прибрежной части моря, куда впадает река с большим количеством песчаных наносов. И охлаждающий контур быстро забивается песком. Он оседает во всех местах, где скорость движения воды начинает падать, потом консолидируется, уплотняется - и через несколько месяцев станция может встать. Чтобы этого не случилось, необходимо найти решение, как избавиться от наносов. И мы совместно с «Атомэнергопроектом» моделируем процессы оседания наносов, разрабатываем мероприятия по их ликвидации. В частности, сделали специальную ступу, которая заставляет песок постоянно взбалтываться, не дает ему оседать. Решение этой задачи необходимо не только для одной этой станции. Многие энергетические объекты Юго-Восточной Азии страдают от наносов, и там борьба с ними - одна из главных проблем.

Для строительства Ирганайской станции в Дагестане на реке Сулак нами было предложено решение по созданию оригинального уравнительного резервуара. Большинство станций в горах работают по принципу так называемой деривационной системы, когда вода подводится к турбинам по длинному тоннелю. При этом используется перепад высот на излучине. Но при вынужденной остановке работы станции вода, двигающаяся в тоннеле, разогнанная до скорости 5-6 метров в секунду, ведет себя как таран - сносит все сооружения. Чтобы этого не было, перед турбиной создается уравнительный резервуар, идущий вверх, который принимает на себя лишнюю энергию, и с помощью колебаний движение воды затухает.

Мы разработали конструкцию резервуара, которая пока не имеет аналогов в мире. Особенность ее в том, что в отличие от традиционной (в виде вертикального цилиндра с камерами-отводками), резервуар представляет собой длинную наклонную камеру длиной около 800 метров, в конце которой сделано небольшое отверстие для выпуска воздуха. В такой слабонаклонной камере гашение энергии происходит за счет преобразования кинетической энергии в потенциальную, плюс - за счет сжатия воздуха, который выходит из камеры постепенно.

Работая в прикладных аспектах подобных проблем, мы получаем решения фундаментальных задач. И часть интересных вопросов, которые появились в ходе решения этой задачи, мы вынесем на обсуждение на симпозиуме.

Кроме того, симпозиум - это еще и возможность встретиться с коллегами, обсудить наиболее важные вопросы, что случается для сотрудников университета не часто, так как мы привязаны к графику лекций и занятий в учебном заведении.

наверх

Российская гидроэнергетика: жизнь продолжается

Николай Борисович Барышников, заведующий кафедрой гидрометрии Государственного гидрометеорологического университета, так прокомментировал в интервью нашей газете значение симпозиума «Гидравлические и гидрологические аспекты надежности и безопасности гидротехнических сооружений»:

- Важность предстоящего симпозиума велика. После развала Советского Союза у правительства упал интерес к науке, к научным работникам. Это привело к тому, что резко сократилось число публикаций.

Если раньше ученый, опубликовавший монографию, получал гонорар, то теперь для того, чтобы опубликовать ее, необходимо вложить собственные средства.

Санкт-Петербург продолжает оставаться областным городом, так как Москва забирает все гранты, почти все договора на выполнение научных исследований застревают в Москве.

Это приводит к тому, что ученые получают слишком мало информации. В библиотеках институтов недостаточно специальной литературы на иностранных языках. Новые поступления появляются нерегулярно.

На данном симпозиуме мы получим возможность реально ознакомиться с тем, что делается за границей. На мой взгляд, это - главная его ценность.

- Однако общепризнанным фактом является преимущество российской науки и высокий авторитет российских ученых в глазах зарубежных коллег?

- У нас действительно высокий уровень науки, потому что пока еще живы старые кадры. Молодежь сейчас не идет в науку. А среднее поколение уехало. В результате средний возраст российского ученого - 60 лет.

Однако у нас всегда был высокий уровень теоретических знаний. Россияне издавна отличались идеями. Правда техника у нас всегда немножко отставала. Типичный, самый наглядный пример - ЭВМ. То же самое - с приборами и оборудованием. Эта категория всегда финансировалась по остаточному методу.

Сейчас практически нет финансирования на приобретение приборов и оборудования. В то же время техника исследований развивается, и мы все больше отстаем от ведущих научных коллективов развитых стран.

В 2000 году я был в Китае. Коллеги были в Голландии. По результатам поездок все рассказывают о том, какая техническая оснащенность научных исследований сейчас за рубежом.

Так, например, китайские ученые сейчас проектируют гидростанцию «Три ущелья» на 18 миллионов киловатт. Это крупнейшая гидростанция - практически три Красноярские ГЭС. Так вот, в Нанкине в лаборатории сделали модель участка р. Янцзы длиной 900 метров, шириной - до 35 метров. Причем вся лаборатория - 1200 метров и она также повторяет все изгибы реки Янцзы. Можем ли мы это сегодня себе позволить? Увы!

Причем все измерения фиксируются с помощью ЭВМ.

А у нас на кафедре всего 3 ЭВМ и приборы, которые мы делаем сами. Нам, конечно, очень полезно и очень нужно ознакомиться с тем, что и как делают за рубежом.

Поэтому-то за то, что коллектив ВНИИ гидротехники Б.И. Веденеева решился на проведение этого симпозиума - честь ему и хвала.

- Николай Борисович, что вы представите на симпозиуме?

- Два доклада. В одном из них я выступаю соавтором. Я специалист в области пойм и пойменных процессов, поэтому один доклад будет посвящен методам расчетов пропускной способности пойменных русел, а другой, в котором я соавтор, будет посвящен гидравлическим сопротивлениям.

- Николай Борисович, чем вы можете объяснить истинный интерес зарубежных ученых к симпозиуму, проводимому в России?

- Во-первых, они всегда относились к нашей науке с должным уважением. Они знали, что у нас много разработок, и мы обменивались опытом с зарубежными коллегами. Недавно проходил гидрологический симпозиум по максимальному стоку в водохозяйственных целях. Я представлял доклад по анализу точности исходной информации. Интерес зарубежных ученых был очень большим.

Кроме того, у нас прекрасный банк данных наблюдений системы Гидрометцентра. На основании этих кадастровых и архивных материалов мы создаем научные теории. К сожалению, в настоящее время такие данные не публикуются, а архивные материалы весьма дороги, так что продолжение этой традиции под большим вопросом.

- Николай Борисович, каков ваш взгляд на перспективы развития отечественной гидроэнергетики?

- Для того чтобы появились перспективы, необходимо, чтобы руководство РАО ЕЭС заинтересовалось этой проблемой. Как показал опыт проведенного ВНИИГ Второго Всероссийского совещания гидроэнергетиков, ученым и практикам удалось вызвать интерес к проблеме у руководства РАО ЕЭС.

В настоящее время наметилось определенное отставание в развитии гидроэнергетики от энергетики в целом. Гидроэнергетика должна составлять около 20% в энергетическом балансе страны. Это объясняется тем, что гидроэнергетика снимает так называемую пиковую нагрузку. Все тепловые станции, включая атомные, работают в постоянном режиме. Они снимают базовую нагрузку. А в гидроэнергетике достаточно легко - открыл струенаправляющее сооружение - вода пошла в турбину и сняла пиковую нагрузку.

Более того, в советские времена у нас строились даже гидроаккумулирующие станции, которые днем снимали пиковую нагрузку, а ночью, когда был избыток электроэнергии, перекачивали воду из нижнего бассейна в верхний для того, чтобы потом вновь снимать пиковую нагрузку.

Те отставания, которые у нас появились, - очень невыгодная для экономики вещь. Теперь частично пиковая нагрузка снимается тепловыми станциями. Это слишком дорогое удовольствие. Поэтому, хотим мы этого или не хотим, гидроэнергетика должна развиваться.

Конечно, строительство гидротехнических объектов требует значительных капиталовложений и имеет достаточно длительный срок окупаемости. Однако у нас есть достаточный резерв малых ГЭС. Малые ГЭС тоже достаточно эффективны. К сожалению, большинство малых ГЭС сегодня в запущенном состоянии. И это тоже надо менять.

Сжигая сегодня уголь, нефть и газ, мы расходуем средства наших потомков.

- Не расходуем ли мы средства наших потомков, существенно ухудшая экологию строительством гидротехнических объектов?

- Могу отметить, что в разговорах об экологическом вреде гидротехнических сооружений достаточно много спекуляций. С одной стороны, у нас много малообжитых районов, где можно строить такие сооружения. И мы не используем этого потенциала. С другой стороны, не столько страшны гидросооружения, сколько страшны неочищенные стоки. Получается, что вредит наша гигантомания и бесхозяйственность, а вовсе не гидротехнические сооружения.

За рубежом каждая фирма имеет свое очистное сооружение. У нас этого до сих пор нет.

Да, гидростанции оказывают негативное влияние - затапливается определенное количество земель. Затапливаются поймы, которые кормят население овощами. Пойма - это местность, на которой осуществляется самополив и самоудобрение.

Могу привести в пример Бухтарминское водохранилище. Это единственная в бывшем Советском Союзе гидростанция, где имеется водохранилище многолетнего регулирования. Там можно полностью аккумулировать весь сток верхнего Иртыша.

Когда построили эту гидростанцию, она стала срезать пики паводка, пойма перестала затапливаться. В результате, если раньше пойма давала столько же кормовых единиц, сколько все богатые окружающие земли, то с введением ГЭС эта кривая продуктивности пойм упала со 100 до 70%. Стали думать, что делать. Решили сделать попуски. Поручили Гидрологическому институту разработать методику попусков. Первый год был неудачным. На следующий год урожайность поднялась до 110 процентов. Почему? Потому что первая ударная волна попуска, которая шла по пойме, вымыла отложения и равномерно распределила их по площади. На следующие годы урожайность снова снизилась, потому что эта же волна попусков стала мыть из нижнего бьефа песок. Оказалось, что необходима мелиорация, удобрения и прочие меры. Этот пример показывает, что проблемы безусловно существуют. Но всегда нужно взвешивать плюсы и минусы. Мое глубокое убеждение в том, что от гидростанций плюсов больше, чем минусов и минусы эти в основном из-за наших упущений и бесхозяйственности.

Так, например, когда я был на Братском водохранилище в

80-х годах, можно было плыть по водохранилищу и видеть внизу лес. Было даже создано целое подразделение, которое этот подводный лес выпиливало и вывозило. Потому что деревья подгнивали, всплывали, образовывали топляки и топили суда. Подобные проблемы были и на Саяно-Шушенской ГЭС.

Но ведь это не негативное влияние гидроэнергетики, а хозяйственное упущение. Если все делать грамотно, если вычистить чашу водохранилища, то никаких серьезных последствий не будет.

- Николай Борисович, продолжается ли сегодня школа петербургских гидротехников? Есть ли у Вас ученики?

- Да. Здесь есть определенные проблемы, тем не менее, у нас много аспирантов, молодых доцентов, кандидатов наук. У меня сейчас пять аспирантов. Жизнь науки продолжается.

наверх

В двадцать четвертом выпуске читайте: Автоматизированная система учета и контроля энергоресурсов (АСКУЭ) на базе многотарифных, многофункциональных счетчиков активной и реактивной энергии Ф669.

С вопросами и предложениями обращайтесь по адресу ep@eprussia.ru

Подписаться на печатную (бумажную) версию газеты "Энергетика и промышленность России" (периодичность - раз в месяц, объем - 32 полосы) можно ЗДЕСЬ. Ознакомительный экземпляр высылается бесплатно.

С расценками на размещение рекламы в печатной (бумажной) версии газеты "Энергетика и промышленность России", а также на сайте газеты www.eprussia.ru можно ознакомиться ЗДЕСЬ.