Более чем 50-летний опыт эксплуатации каскада Волжских ГЭС приводит экологов к факту обнаружения возможных экологических минусов от воздействия этих крупных гидроэнергетических объектов на окружающую среду и заставляет искать различные способы оценки возможного экологического ущерба. Необходимо отметить, что низкая себестоимость электроэнергии равнинных ГЭС во многом объясняется недостаточным учетом экологических последствий их строительства и эксплуатации.
Целью исследований является оценка с точки зрения экологичности различных режимов эксплуатации ГЭС, выявление идеальных экологических показателей, связанных с особенностями накопления воды и регулирования суточных сбросов для регулирования выработки энергии и пиковых нагрузок.
Несмотря на очевидные плюсы ГЭС, связанные с использованием возобновляемых водных ресурсов, есть и существенные недостатки, присущие ГЭС на равнинных реках: затопление сельскохозяйственных угодий и поселений, разрушение и водная эрозия берегов, увеличение уровня подземных вод, резкое снижение рыбных ресурсов вплоть до исчезновения ценных пород (осетровых, белорыбицы).
Суточные сбросы разрушительно действуют на береговую линию и наносят большой ущерб нересту рыб. Колебания уровня воды в бьефах гидроузла в период нереста вызывают массовую гибель отложенной икры и вылупившихся личинок.
Чл.-корр. РАН, председатель научно-технического совета ОАО «РусГидро» М.П. Федоров отмечает, что такой рваный режим функционирования ГЭС вызывает неблагоприятные последствия для реки ниже по течению: осушение, изменение качества воды в условиях поступления загрязняющих веществ [1].
Согласно мероприятиям «Технической политики» ОАО «РусГидро» - на гидростанциях компании «обеспечивается применение современных и перспективных технических решений, предотвращающих негативное воздействие на окружающую среду. Гидротехнические сооружения объектов компании должны обеспечивать надежность и безопасность на всех стадиях жизненного цикла; минимальное воздействие на животный и растительный мир; режим попуска в нижний бьеф, минимально необходимый для обеспечения интересов водопользователей. Строительство и эксплуатация проводится в соответствии с системой экологического менеджмента в соответствии с требованиями международного стандарта ISO» [7].
Количественная оценка экологической идеальности функционирования ГЭС позволила бы более объективно оценить их воздействие на природную среду. Целесообразно ввести интегральные экологические показатели эксплуатации равнинных ГЭС.
Ранее нами были введены понятия идеальных экологических процессов, обеспечивающих на выходе концентрации и температуры выбрасываемых веществ, равных их естественным концентрациям и температурам в природе [4].
По аналогии будем считать процесс течения реки условно идеальным.
1. Основными показателями, давно используемыми для течения рек, являются расход qv и среднее время течение воды τ от истока до устья. Зная длину реки l, несложно считается средняя скорость воды в реке
θ = l/τ (1)
и объем воды в русле
V = qvτ. (2)
Для рек с плотинами расход воды несколько уменьшается за счет увеличения площади S водной поверхности на водохранилищах.
Обозначим новый расход воды в реке qvn и
(3)
Объем воды увеличивается за счет ее накопления в водохранилищах и становится равным V1. Тогда обозначим
(4)
Если коэффициенты dq и dv равны 1, то есть, если бы мы научились получать энергию без накопления воды в водохранилищах и увеличения зеркала испарения со свободной поверхности, то процесс был бы идеальным. Такая модель ГЭС наиболее соответствует наплавной гидроэлектростанции, относящейся к категории бесплотинных ГЭС.
2. Другой интегральный параметр, учитывающий неидеальность экологического процесса и связанный со средним временем пребывания. или с учетом формул (2), (3) и (4)
Несложно показать, что dτ > dv.
Здесь хорошо видно преимущества ГЭС на горных реках, по сравнению с равнинными. Для последних поверхность водохранилищ в несколько раз больше. Поэтому коэффициент неидеальности по зеркалу поверхности и испарению dq → 1 и интегральный параметр неидеальности dτ ≈ dv.
По аналогии были рассчитаны интегральные показатели экологичности по средней глубине реки (русла), по скорости и объему воды [3].
На основании расчетов сделан общий вывод о преимуществе плотин ГЭС на горных реках, по сравнению с равнинными:
; dqv ≈ 1
3. Особое значение имеет оценка экологичности ГЭС с точки зрения суточных сбросов для регулирования выработки энергии и пиковых нагрузок.
Рассмотрим воздействие режимов на примере Волжской ГЭС, которая входит в ОАО «РусГидро» и является крупнейшей гидроэлектростанцией Европы и Волжско-Камского каскада, покрывая пиковую часть графика нагрузки в ЕЭС России. Волжская ГЭС оборудована 22 гидроагрегатами различной мощности плюс один агрегат мощностью 11 МВт для питания собственных нужд ГЭС. Установленная мощность - 2592,5 МВт. Среднегодовая выработка электроэнергии составляет 11 100 млн кВт∙ч [5].
В междуречье Волги и Ахтубы располагается заповедная зона - Волго-Ахтубинская пойма. В современных условиях от хозяйственной деятельности человека во многом зависит нормальное состояние поймы. Огромный вред пойме наносят суточные колебания сброса. Волжская ГЭС работает на сглаживание нагрузок в энергосистеме России (т.н. регулирование частоты). Колебания сброса приводят к интенсивному размыванию берегов, особенно левого, пойменного берега Волги.
С точки зрения экологичности представляется интересным оценить реальный и идеальный режим эксплуатации ГЭС на основании данных выработки электроэнергии.
Аналогично предложенным коэффициентам экологичности для ГЭС, указанным выше, коэффициент идеальности может быть рассчитан и с учетом пиковых нагрузок.
Рассмотрим в качестве примера сравнительный график среднесуточной выработки электроэнергии Волжской ГЭС в рабочем режиме и в период паводка.
Рис. 1. Сравнительный график среднесуточной выработки электроэнергии Волжской ГЭС (в рабочем режиме и режиме паводка)
Как видно из рис. 1, в период паводка практически нет отклонений в режиме нагрузки и выработки электроэнергии, нет колебаний в виде «пиков» и «падений», поэтому процесс близок к идеальному.
Представляется интересным оценка экологичности ГЭС с точки зрения суточных сбросов, в случае, когда выработка электроэнергии идет в рабочем режиме с использованием значений качества выработки Волжской ГЭС за сутки в кВт·ч. Процедура вычисления статистических параметров приведена в таблице.
6. Для оценки идеальности работы агрегата используем коэффициент вариации V, который показывает разброс показателей, относительно среднего. Идеальная работа при 
.
Количественно оцениваем коэффициент вариации V
, или 18%
Такое значение коэффициента V говорит о сравнительно удовлетворительном в статистическом отношении разброса показателей выработки электроэнергии и, соответственно, сброса воды в нижнем бьефе.
7. Для более наглядной оценки идеальности используем функцию желательности Харингтона для двухсторонних ограничений
где 
- безразмерный показатель желательности (5)
где Yi - экспериментальное значение показателя; Ymax и Ymin - максимальное и минимальное значение; α = 1 (условно принимаем, что наблюдения равнозначны).
Рассчитаем значения показателей желательности для суточного рабочего режима работы гидроагрегатов (ГА).
Базовые величины шкалы желательности [2]:
при 
- очень хорошее качество;
при 
- хорошее;
при 
- удовлетворительное;
при 
- плохое
Статистические параметры суточной выработки Волжской ГЭС в рабочем режиме (2011 г.)
|
№ п/п |
Наименование параметра |
Расчет |
Значение параметра, кВт∙ч |
|
1 |
Среднее арифметическое |
|
1071417 |
|
2 |
Дисперсия воспроизводимости |
|
37195033405 |
|
3 |
Среднеквадратичное отклонение |
|
192860,1 |
|
4 |
Доверительные интервалы для среднего |
где t - критерий Стьюдента принимаем равным 2,07 (определяем при числе степеней свободы γ = m - 1 и уровне значимости α = 5% (вероятность 95%) [6] |
±81473 |
|
5 |
Нижний и верхний предел для дисперсии |
|
|
|
Нижний предел для дисперсии |
(при m < 30) Критерий χ выбирается при числе степеней свободы γ = m - 1 и α = 5% для нижнего предела и α = 95% - для верхнего предела, соответственно, χ для нижнего предела составляет 33,9; для верхнего предела - 13,1 |
776777787 |
|
|
Верхний предел для дисперсии |
52017994338 |
,
Рис. 2. Показатели желательности для суточного графика работы ГА Волжской ГЭС (в рабочем режиме)
При оценке шкалы желательности на рис. 2 воспользуемся базовыми величинами шкалы желательности. Рассчитаем обобщенную функцию желательности для ГЭС за сутки.
,
где di - частные функции желательности.
Расчетное значение D = 0,64, что согласно базовым величинам шкалы желательности соответствует показателю «хорошее». Зная график выработки Волжской ГЭС за 2011 год по месяцам [5] рассчитаем функцию желательности для работы ГЭС за год (рис. 3).
На основании сравнительных значений рис. 4 и базовых величин желательности, можно рассчитать обобщенную функцию желательности работы ГЭС за год:
,
где di - частные функции желательности за месяц; D = 0,42.
Расчетное значение D = 0,42, соответствует показателю «удовлетворительное». Наилучшее значение частного показатели желательности приходится на апрель (0,61), но и оно попадает в категорию «удовлетворительное».
Рис. 3. График годовой выработки электроэнергии Волжской ГЭС за 2011 г.
Рис. 4. Показатели желательности для годичного графика работы ГА Волжской ГЭС за 2011 г.
Расчетные показатели за год не соответствует тому базовому значению «хорошего качества», однако суточные показатели соответствуют этим критериям. В течение суток колебания сброса воды, несмотря на «пики», незначительны, в то время как в течении года амплитуды суммарных значений колебаний и в верхнем, и в нижнем бьефе огромны.
Таким образом, предложенные оценки экологичности ГЭС на станциях с различными накоплениями воды в водохранилищах, равнинных и горных ГЭС, а также с учетом суточных колебаний на ГЭС, работающих на погашение пиковых нагрузок, должны стремиться к значениям, при которых поддерживается необходимый экологический режим сброса, удовлетворяющий потребности в электроэнергии и поддерживающий природные комплексы в состоянии, близком к природному оптимуму.
Список литературы
-
Институт важнее броненосца : беседа с чл.-корр. РАН М.П. Фёдоровым / М. П. Фёдоров; вёл И. Имамутдинов // Эксперт. - 2011. - № 10. - С. 46-52.
-
Каблов В.Ф., Агаянц И.М.. Информационные технологии в разработке и в производстве эластомерных материалов: монография. - Волгоград: ВПИ (филиал) ВолгГТУ, 2009.
-
Курылева Л.В., Голованчиков А.Б., Каблов В.Ф. Оценка экологичности ГЭС с использованием интегральных оценок // Оздоровление экологической обстановки в регионах Нижней Волги, восстановление и предотвращение деградации ее природных комплексов - составная часть программы «Возрождение Волги»: материалы Межрегиональной научно-практической конф. (Волгоград, 5 мая 2011 г.). - Волгоград, 2011 - 126 с.
-
Об идеальных и реальных экологических процессах и их количественной оценке / А.Б. Голованчиков, Л.В. Курылева, Т.А. Голованчикова, В.Л. Гончаренко // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. - 2004. - Вып. 8. - C. 6-10.
-
Производственно-технический отчет Филиала ОАО «РусГидро» - «Волжская ГЭС» за 2011 год. - URL:http://www.gidroogk.com (дата обращения 26.03.2012).
-
Рузинов Л.П., Слободчикова Р.И. Планирование эксперимента в химии и химической технологии. - М.: Химия, 1980. - (серия «Химическая кибернетика») - 280 с.
- Техническая политика ОАО «РусГидро» (Приложение 1 к Приказу ОАО «РусГидро» и ОАО «УК ГидроОГК» от 28.11.2011 № 1263/1п-84 «О введении в действие Технической политики ОАО «РусГидро»).