Методические аспекты проведения ОВОС объектов гидроэнергетики Корнеев В.Н. , Гертман Л.Н. РУП «Центральный научно-исследовательс

В связи с необходимостью обеспечения энергетической безопасности Республики Беларусь начаты работы по проектированию гидроэлектростанций (ГЭС) на водных объектах.
Республика Беларусь в настоящее время имеет дефицит по обеспечению потребителей электроэнергией, и как следствие возрастает зависимость от иностранных энергоносителей.
Использование гидроэнергетического потенциала (в наибольшей степени за счет рек Западная Двина, Неман, Днепр) является первостепенной задачей.

В рамках обоснования размещения и проектных решений по планируемым ГЭС необходимо проведение оценки их воздействия на окружающую среду (ОВОС), при условии что строительства здесь
«плотины высотой 2 метра и более, водохранилища с площадью зеркала 2 квадратных километра и более при нормальном подпорном уровне»
(Закон 9 ноября 2009 г. № 54-З О государственной экологической экспертизе)

Для методического обеспечения разработки оценки воздействия на окружающую среду (ОВОС) объектов гидроэнергетики разработан проект ТКП
«Охрана окружающей среды и природопользование. Гидросфера. Правила определения прогнозных количественных и качественных характеристик водного режима при создании плотин и водохранилищ на реках»

Основными задачами при проведении прогноза количественных и качественных характеристик водного режима при создании плотин и водохранилищ на реках, являются:
оценка и прогноз изменения гидрологического и гидрогеологического режимов;
оценка и прогноз скоростного режима течений и русловых процессов, включая движение наносов, понижения уровней в нижнем бьефе;
оценка и прогноз переработки берегов водохранилища;
оценка и прогноз возможного заиления водохранилища;
оценка ледовых явлений и прогноз их воздействия на проектируемые сооружения;
оценка и прогноз качества воды при создании водохранилища;
оценка вероятных чрезвычайных (аварийных) ситуаций, в том числе прогноз движения волны прорыва плотины.

Апробация системы математических моделей при проведении ОВОС размещения Витебской ГЭС на р. Западная Двина показало ее практическую применимость при проведении ОВОС размещения плотин на на реках Беларуси.

Научная и практическая новизна заключается в том, что из всего многообразия математических моделей, описывающих перечисленные процессы, научно обоснованы наиболее приемлемые математические модели для проведения ОВОС при создании плотин на реках Беларуси при размещении на них ГЭС, разработаны эффективные алгоритмы расчетов и визуализации их результатов с использованием современных информационных технологий.
На примере ОВОС Витебской ГЭС на р. Западная Двина и ОВОС Немновской ГЭС на р. Неман впервые апробирован весь комплекс расчетов, исходя из требований проведения ОВОС в Республике Беларусь, а в перспективе – согласно требованиям Стратегической экологической оценки (СЭО).

Исходными данными для оценки и прогноза являются:
- значения расходов и уровней воды, заданных вероятностей превышения;
- отметки нормального подпорного уровня и форсированного подпорного уровня водохранилища;
- картографическая информация (карты местности с масштабом 1:25000 и крупнее);
- морфометрическая информация по руслу и пойме реки (координаты и отметки точек поперечных сечений по руслу и пойме реки и значения локальных коэффициентов шероховатости по смоченному периметру поперечных сечений);
- результаты расчетов водохозяйственных балансов для створа гидроузла гидроэлектростанций с учетом различных режимов ее функционирования;
- данные наблюдений за стоком взвешенных и влекомых наносов;
- данные гидрохимических наблюдений за качеством воды в реке на участке размещения плотины;
- данные наблюдений за ледовыми явлениями;
- данные наблюдений скоростей и направлений ветров и продолжительности действия ветра в районе размещения водохранилища;
- геологическая и гидрогеологическая информация по району строительства плотины.

Оценка изменений гидрологического режима водного объекта при сооружении плотин на реках
Для описания процесса движения речного потока используются, в основном, полные уравнения Сен – Венана.
Для учета особенностей конкретных водных объектов уравнения движения дополняются параметрами, позволяющими учесть эти особенности.
Для моделирования стационарного водного режима водотока в естественном состоянии и в проектном (определение кривой подпора для верхнего бьефа) можно использовать уравнение неравномерного движения воды

Расчетные уровни воды в реке Западная Двина на участке размещения Витебской ГЭС (естественные и проектные условия)

Определение характеристик скоростного режима течений
Наиболее эффективными методами для определения характеристик скоростного режима течений при различных гидрологических режимах являются методы, основанные на использовании полуэмпирических зависимостей для расчетов в живом сечении водотока местных продольных осредненных скоростей течения воды. Полуэмпирические зависимости для расчетов продольных скоростей приведены в работах Коваленко Э.П., Рогуновича В.П., Васильченко Г.В., Казмирука В.Д., Николаева Б.М., Анельгольма Н.К., Прандтля Л.

Расчетные средние скорости течения воды в реке Западная Двина на участке размещения плотины Витебской ГЭС
(естественные и проектные условия)

Оценка переработки берегов водохранилищ ГЭС
Рассмотрены методы Е.Г. Качугина, Н.Е. Кондратьева, Б.А. Пышкина, В.К. Гречищева, Г.С. Золотарева, Левкевича В.Е. В базовую модель целесообразно включение расчетных зависимостей Н.Е. Кондратьева

Оценка воздействия водохранилища Витебской ГЭС на переформирование берегов

Изменение гидрогеологического режима территорий, включая изменение уровней грунтовых вод при размещении плотин на реках рассчитывается по системе уравнений, учитывающих различные гидрогеологические условия:
горизонтальное положение водоупора;
наклонное положение водоупора;
сложные гидрогеологические условия.

Движение наносов и прогноз возможного заиления водохранилища
Рассмотрены методы расчетов Г.И Шамова, А.В. Караушева, В.С Лапшенкова, И.И. Леви, Н.Е. Кондратьева и др.
1. Для оценки интенсивности процессов седиментации следует использовать критерий условной заиляемости с учетом объемов отложений связанных с переработкой берегов. При величине условной заиляемости более 300 лет для крупных водохранилищ, 200 лет для средних и 100 лет для малых интенсивность заиления оценивается как невысокая и дальнейшие расчеты не производятся. При меньших величинах условной заиляемости требуется проведение расчетов хронологического хода заиления с учетом выноса наносов за пределы водохранилища со сбрасываемой в нижний бьеф водой.
2. Расчеты хронологического хода заиления следует производить с использованием зависимостей по способу Шамова при устройстве русловых водохранилищ. При устройстве водохранилищ озерного типа расчет следует производить по методике расчетов Караушева. Такой подход обеспечивает определенный запас надежности при проведении расчетов и позволяет учесть условия стока наносов.
3. Детальный расчет заиления водохранилищ по участкам следует проводить при необходимости получения оценки влияния последствий отложения наносов на работу гидротехнических сооружений, обеспечения условий судоходства, состояние рекреационных зон. Расчет следует производить проводить балансовым методом с пофракционным учетом перемещения наносов включая частичный сброс наносов в нижний бьеф водохранилищ.

Прогноз качества воды
Долгосрочное прогнозирование качества воды при создании водохранилища должно включать:
анализ современного состояния качества воды водотока,
установление расчетного объема водохранилища,
прогноз поступления загрязняющих веществ в водохранилище из различных источников,
прогноз концентраций веществ в водохранилище,
разработку рекомендаций по рациональному использованию и охране вод.
При разработке прогноза формирования качества воды, водной экосистемы с учетом влияния различных источников загрязнения в проектных условиях данные предпроектных изысканий должны использоваться как фоновые.
При прогнозе устанавливаются три периода:
наполнение водохранилища (обычно 1, реже 2 весенних сезона),
достижение устойчивого гидрохимического режима с предельной минерализацией (до 3-5 лет),
регулярная эксплуатация водохранилища (неопределенно долгое время).

Основу математической модели прогноза качества воды составляет метод солевого баланса

Оценка ледовых явлений

Математическая модель оценки ледовых явлений

Оценка вероятных чрезвычайных (аварийных) ситуаций и их последствий, оценка зон вероятного затопления
Основной чрезвычайной ситуацией при размещении плотин на реках может являться разрушение плотины. Поэтому математическая модель предназначена для прогноза движения волны прорыва в случае аварии или разрушения гидроузла ГЭС.
Движение волны прорыва, возникающей при разрушении плотины, является модифицированным течением неустановившегося движения воды в открытых руслах и относится к классу сверхкритических (бурных) течений с появлением прерывных волн и описывается уравнениями Сен-Венана в форме для непрерывных и разрывных течений в зависимости от числа Фруда.

Исходная морфометрическая информация должна включать координаты поперечных сечений русла и поймы по водохранилищу и участку реки выше окончания кривой подпора водохранилища, а также по участку реки в нижнем бьефе, с максимальной длиной участка, на который может распространиться влияние волны прорыва, локальные вдоль участков периметра коэффициенты шероховатости
Визуализация зон вероятного затопления территории осуществляется с помощью цифровой модели на картографической основе масштаба 1:25 000 или крупнее.
На цифровой модели отображаются следующие дополнительные характеристики территории:
глубина воды на затопленной территории;
скорость течения воды по пойме и другим затапливаемым территориям;
направления течения воды по затопленной территории;
время стояния воды на затапливаемой территории;
время подхода волны при прорыве плотины.

Изменения уровней воды в нижнем бьефе Витебской ГЭС при прорыве плотины в условиях среднемеженных расходов воды 50% ВП, НПУ=138 м

Пример цифровой модели рельефа местности для визуализации зон затопления

Пример построения зон затопления в верхнем бьефе Витебской ГЭС