Введение к работе
Актуальность работы. Эксплуатация высоко- и средненапорных ГЭС в условиях Сибири и Дальнего Востока наряду с экономическими и хозяйственными выгодами приводит к ряду негативных экологических последствий, к числу которых относится изменение термического режима в нижнем бьефе - летом вода становится значительно холоднее, а зимой — теплее, чем до строительства ГЭС Это влечет за собой ухудшение микроклимата прибрежной территории и оказывает негативное влияние на речную флору и фауігу, условия проживания населения В настоящее время экологические проблемы строительства гидроэлектростанций в Сибири и на Дальнем Востоке стоят достаточно остро вследствие накопленного неблагоприятного опыта эксплуатации крупных ГЭС Отсутствие обоснованных и практически приемлемых решений термического сопряжения бьефов может приводить к затруднениям при принятии решений о размещении гидроузлов в этих районах, что негативно скажется на развитии экономики региона
Исследования изменений ледового и термического режима водотока после строительства ГЭС проводились в институте «Гидропроект», Государственном гидрологическом институте, Красноярском университете и других организациях По этим вопросам известны работы Ю И Подлипс-кого, В В Пиотровича, К И Российского, Я Л Готлиба, Н М Сокольникова, В М Жидких, С Н Назаренко, И В Космакова и др
Проблемы выявления, анализа и учета экологических факторов при выборе режимов работы ГЭС исследовались в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете М П Федоровым, Н В Арефьевым, Н И Хрисановым и др При проектировании и выборе режимов эксплуатации ГЭС эти факторы принято делить на управляемые, опосредованно управляемые и неуправляемые Так, параметры гидротермического режима относятся к опосредованно управляемым факторам, поскольку их регулирование в сторону улучшения ситуации зависит, главным образом, от температуры воды на входе в водоприемник, что определяется условиями водозабора
Исследования, выполненные в рамках диссертационной работы, направлены на определение таких условий при селективном водозаборе, когда гидротермический режим в нижнем бьефе был бы максимально приближен к природному, и обоснованию конструкций, которые могут обеспечить эти условия Диссертационная работа является продолжением многолетних исследований по разработке селективного поверхностного
водозабора гидроузлов, проводившихся во ВНИИГ им Б Е Веденеева учеными и специалистами института -BE Ляпиным, ГА Трегуб, И Н Шаталиной, А Г Василевским, И И Макаровым, К Я Кинд, Е Л Разговоровой, А Г Авер-киевым, В Н Карновичем, В Н Жиленковым и др
Цель и задачи работы. Цель данной работы заключалась в получении новых, более эффективных решений экологически приемлемого регулирования термического режима водотоков в нижних бьефах ГЭС, намечаемых к строительству на реках Сибири и Дальнего Востока
В соответствии с этим были поставлены и решены следующие задачи
Проведение анализа зарубежного и отечественного опыта по регулированию термического режима в нижнем бьефе ГЭС с целью определения наиболее перспективных решений
Выявление характера температурной стратификации, а также изменения ее во времени на основе систематического анализа и обобщения результатов натурных наблюдений за гидротермическим режимом водохранилищ эксплуатируемых ГЭС на реках Сибири и Дальнего Востока
Установление по данным натурных наблюдений оптимальной глубины поверхностного забора воды из водохранилищ, а также эффективного периода работы селективного водозаборного сооружения
Разработка рекомендаций по оптимальной глубине водозабора для водохранилищ ГЭС Сибири или расположенных в аналогичных климатических условиях
Анализ существующих расчетных методик определения условий сохранения устойчивости (несмешиваемости) слоев с различной температурой и выбор критерия устойчивости слоев при водозаборе
Обоснование предлагаемого критерия устойчивости слоев по данным натурных наблюдений и экспериментальных исследований
Разработка расчетной методики определения параметров селективных водозаборных устройств ГЭС
Методы исследований
Обзор ранее предложенных технических средств и расчетных методик определения гидравлических критериев для проектирования поверхностного селективного водозаборного устройства
Анализ и обобщение материалов натурных наблюдений за гидротермическим состоянием водохранилищ высоко- и средненапорных ГЭС
Натурные наблюдения за условиями формирования разноплотностных течений
Экспериментальные исследования на модели разноплотностных течений
Достоверность результатов. Анализ существующих предложений по регулированию термического режима в нижнем бьефе ГЭС подтвердил, что в настоящее время наиболее перспективным решением для ГЭС мощностью свыше 300 - 500 МВт является конструкция берегового селективного водозабора, позволяющая за счет увеличения водоприточного фронта снизить удельный расход
Методика расчета параметров селективного водозаборного устройства ГЭС, разработанная в диссертации, подтверждена результатами экспериментальных исследований и расчетов, выполненных на основании натурных данных
Научная новизна работы заключается-
1 В обосновании конструкции деривационного селективного водо
заборного сооружения берегового типа как наиболее перспективной для ГЭС
мощностью от 300 - 500 МВт и выше, позволяющей за счет увеличения
водоприточного фронта сооружения уменьшить удельные расходы воды,
что дает возможность обеспечить устойчивость разделения слоев при се
лективном водозаборе и поддерживать термический режим нижнего бьефа
близким к природному Если установленная мощность средненапорной
(//< 50 м) ГЭС не превышает 300 - 500 МВт, возможным и более приемлемым
по технико-экономическим показателям может оказаться вариант селек
тивного водозаборного устройства не деривационного, а пристанционного
(прямоточного) типа
Таким образом, предлагаются две принципиально разных по компоновке схемы водозаборных устройств селективного типа прямоточная и деривационная, каждую из которых следует выбирать в зависимости от гидрологических, гидрогеологических характеристик, топографии в створе гидроузла, напора и мощности ГЭС
2 В разработке методики расчета параметров селективных водо
заборных устройств ГЭС и подтверждении ее натурными и эксперимен
тальными данными В результате анализа наступления периодов темпе-
ратурно-плотностной стратификации в водохранилищах на реках Сибири
получена характерная глубина, при которой осуществляется забор воды из
поверхЕїостного слоя В качестве показателя устойчивости селективного
забора воды предлагается использовать плотностное число Фруда, крити
ческое значение которого, подтвержденное результатами исследований, равно
0,28.
Практическая ценность и реализация работы. Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная в диссертации методика расчета параметров селективного водозаборного устройства позволит обосновать внедрение селективных водозаборных сооружений берегового
типа на проектируемых гидроэлектростанциях Сибири и Дальнего Востока (в районах с резко выраженными сезонными циклами), тем самым снизить экологическую напряженность в нижнем бьефе ГЭС и сделать более комфортными условия проживания населения на этих территориях
При технико-экономическом обосновании строительства гидроэлектростанций в составе Южно-Якутского энергокомплекса будут рассмотрены варианты компоновки сооружений гидроузлов с береговыми селективными водоприемниками, расчет параметров которых будет выполняться по предлагаемой в диссертации методике
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научно-технической конференции «Гидроэнергетика Новые разработки и технологии», 7-9 декабря 2005 г, проведенной ОАО «ВНИИГ им Б Е Веденеева» совместно с ОАО РАО «ЕЭС России», ОАО «ГидроОГК», НП «Гидроэнергетика России», а также на секциях Ученого совета ВНИИГ им Б Е Веденеева в 2006 и 2007 гг
Публикации. По теме диссертационной работы автором опубликовано 4 статьи
На защиту выносятся:
Методика проведения лабораторных экспериментов с разделением разношготностных слоев и полученные в ходе эксперимента результаты
Методика расчета параметров поверхностного селективного водозаборного устройства ГЭС
Научно обоснованные критерии проектирования поверхностных селективных водозаборных устройств - рекомендуемая глубина водозабора и критическое плотностное число Фруда как показатель устойчивости слоев воды с разной температурой
Новое техническое решение - селективное водозаборное устройство деривационного типа, имеющее в определенных топографических условиях преимущества по сравнению с ранее разработанными конструкциями
