Развитие современной энергетики немыслимо без создания водохранилищ. В
них нуждаются как гидравлические (ГЭС) и гидроаккумулирующие (ГАЭС), так
и тепловые (ТЭС) и атомные (АЭС) электростанции.
Строительство гидроэлектростанций явилось основой для решения проблем,
связанных с комплексным использованием водных ресурсов. Наличие крупных
и практически мало использованных гидроэнергетических ресурсов,
значительный дефицит топливно-энергетического баланса в большинстве
стран мира, преимущества гидроэлектростанций делают экономически
выгодным и энергетически целесообразным обеспечение определенного (не
менее 10—15%) удельного веса гидроэлектростанций в развивающихся
энергосистемах.
Для использования потенциальных гидроэнергетических ресурсов рек
требуется создание перепада уровней воды, поскольку естественных
перепадов (водопадов) в природе очень мало. Сооружение большинства
гидроэлектростанций связано с созданием больших или меньших по напору
гидроузлов, что приводит к образованию разных по площади и объему
водохранилищ. Это важнейшая, но не единственная причина создания
водохранилищ гидростанций (рис. 21).
Большинство гидроэнергетических водохранилищ осуществляют суточное и
недельное регулирование стока, а сезонное и многолетнее регулирование —
только наиболее крупные водохранилища. При отсутствии регулирующих
водохранилищ гидроэлектростанции вырабатывали бы электроэнергию не в
соответствии с требованием энергетических систем, а в зависимости от
водности реки в тот или иной период. Поскольку расходы воды в реках в
разное время года меняются десятки и сотни раз, гидроэлектростанции без
регулирующих водохранилищ также меняли бы свою мощность и выработку.
Кроме того, при использовании гидроэнергоресурсов без регулирующих
водохранилищ чрезвычайно трудно выбрать установленную мощность станции.
Если бы мощность станции рассчитывалась
в соответствии с максимальными расходами, то большую часть года многие
агрегаты простаивали бы из-за недостатка воды. И действительно, для
гидроэлектростанций, не имеющих регулирующих водохранилищ, характерны
низкие коэффициенты использования стока, нередко не превышающие 0,1
—0,2. Поэтому экономическая эффективность таких станций обычно низка, а
их энергетические возможности весьма невелики.
Таким образом, неравномерность естественного стока служит второй
причиной создания водохранилищ. Регулирование ими стока позволяет
развить установленную и увеличить гарантированную мощность ГЭС, общую
вырабоку энергии и степень энергетического использования стока, что
повышает народнохозяйственный эффект использования гидроэнергоресурсов.
Помимо природных предпосылок, вызывающих необходимость создания
водохранилищ для гидроэлектростанций, имеются технические и
экономические предпосылки. Как известно, потребление электроэнергии
отличается значительной неравномерностью как в течение суток и недели,
так и в течение года. Несовпадение во времени бытовых расходов воды в
реке с графиком нагрузки энергосистемы может быть устранено или
ослаблено только путем регулирования речного стока, т. е.
перераспределения его между отдельными годами, сезонами, днями недели и
часами суток.
Основное назначение гидроэлектростанций в современных энергосистемах —
участвовать в покрытии пиков суточной нагрузки энергосистем. Разница
максимальной и минимальной нагрузки суточного графика во всех
энергосистемах с каждым годом значительно
возрастает, и в некоторых энергосистемах она
составляет 10—20 млн. кВт. Покрытие пиков графиков нагрузки тепловыми
электростанциями не всегда возможно и целесообразно по техническим и
экономическим причинам. Частое чередование глубокой разгрузки и полной
нагрузки тепловых агрегатов сокращает срок службы оборудования,
увеличивает частоту и объем ремонтных работ, повышает аварийность,
существенно увеличивает удельный расход топлива на производство
электроэнергии.
Агрегаты гидроэлектростанции быстро (в течение 1 минуты) и легко
воспринимают нагрузку энергосистем. Возможный диапазон регулирования
мощности гидроэлектростанций обычно близок к их полной установленной
мощности. Гидроэлектростанции с водохранилищами выполняют также функции
аварийного резерва в энергосистемах, роль которого непрерывно возрастает
с увеличением единичной мощности агрегатов тепловых станций и
непрерывным развитием мощных линий электропередачи (ЛЭП). Величина
резерва энергосистемы, который целесообразно разместить на ГЭС, зависит
в первую очередь от удельного веса ГЭС в энергосистеме и регулирующей
емкости водохранилищ. Насколько значителен общий энергетический резерв
ГЭС, видно хотя бы из того, что запас воды, содержащийся в
водохранилищах Волжско-Камского каскада, эквивалентен 14,4 млрд. кВт* ч
электроэнергии. Г идроэлектростанции
с водохранилищами сезонного и многолетнего регулирования представляют
энергетический резерв, не требующий никаких дополнительных
капиталовложений и эксплуатационных затрат.
Из сказанного следует, что наличие
в энергосистеме гидростанций с водохранилищами создает условия для
работы тепловых электростанций в оптимальных для них режимах, что дает
большой хозяйственный эффект.
Многолетнее регулирование стока водохранилищами энергетического
назначения имеет особенно большое значение для тех энергосистем, в
которых преобладают гидроэлектростанции. Такие водохранилища регулируют
работу не только своей гидроэлектростанции, но и других ГЭС, входящих в
энергосистему (рис. 22).
Поскольку на реках создаются не изолированные гидроэлектростанции, а
каскады ГЭС и водохранилищ, между гидроэлектростанциями, построенными в
бассейне одной реки, возникают не только электрические, но и
водохозяйственные взаимосвязи. Создание регулирующих водохранилищ
повышает гарантированную мощность и выработку не только собственной
станции, но и нижерасположенных ГЭС.
В некоторых случаях ниже плотины гидроэлектростанции создают специальное
контррегулирующее водохранилище для перерегулирования расходов по иному,
не энергетическому графику в интересах разных отраслей хозяйства.
Наличие в энергосистемах гидроэлектростанций с регулирующими
водохранилищами повышает надежность этих энергосистем в эксплуатации и
делает их менее подверженными авариям. В случае же аварии энергосистемы,
где имеются гидроэлектростанции, могут восстановить энергоснабжение
быстрее, чем системы, которые располагают только тепловыми
электростанциями. Естественно, что, чем выше регулирующая способность
водохранилищ гидроэлектростанций, тем больше их значение в
энергосистемах.
Производство электроэнергии в большинстве стран мира каждые 7—10 лет
удваивается. Свыше 80% электроэнергии во всем мире, в том числе и в
СССР, вырабатывается тепловыми электростанциями. Для их работы требуется
большое количество воды, в среднем 35—40 куб. м/с на 1 млн. кВт
установленной мощности, поэтому при выборе места их строительства важно
наличие водоемов. Крупные тепловые электростанции могут располагаться на
берегах больших рек, водохранилищ, озер, или для их работы нужно
создавать специальные довольно значительные водохранилища, что требует
больших капиталовложений.
Воздействие тепловых и атомных электростанций на гидрологический и
биологический режимы водохранилищ многообразно и обусловлено: 1)
травмированием организмов при прохождении ими агрегатов станции вместе с
охлаждающей водой, 2) поступлением со сбрасываемой водой добавочного
тепла, повышающего температуру воды водохранилищ, и 3) внесением
загрязнений со сбросными водами.
Повышение температуры до 20—25° сказывается положительно на
жизнедеятельности организмов, стимулируя их рост и размножение,
повышение до 30° и более подавляет развитие основных форм гидробионтов.
Непрерывный поток подогретой воды усиливает течение, которым сносится
планктон, изменяются условия обитания не только планктона, но и
зообентоса из-за размыва этим потоком грунтов, нарушается кислородный
режим, вода загрязняется нефтепродуктами, солями тяжелых металлов,
кислотами и щелочами, а через атмосферные выбросы — золой, окислами
серы, азота и др. Вместе с тем если тепловые сбросы поступают в
придонные слои, тепловой режим водоема и циркуляция водных масс в
некоторых случаях могут быть улучшены. Положительно может оцениваться и
отсутствие ледового покрова зимой или уменьшение его длительности,
поскольку это улучшает кислородный режим водоема.
Все сказанное свидетельствует о необходимости рационального размещения
ТЭС и АЭС, о важности выбора системы водоснабжения тепловых
электростанций и о разработке или совершенствовании технологических
процессов по утилизации теплых вод в хозяйстве. В настоящее время
изучается возможность использования тепловых вод для орошения
сельскохозяйственных культур, водоснабжения животноводческих ферм,
обогрева открытого грунта, выращивания на корм рыбам зеленых водорослей
и разведения рыб в бассейновых и садковых хозяйствах.
Учитывая, что в наиболее развитых промышленных странах к 1990—2000 гг.
на охлаждение тепловых электростанций будет использоваться около 10%
водных ресурсов, можно представить, какое большое хозяйственное и
экологическое значение имеет строительство тепловых электростанций на
берегах водохранилищ.
Г идроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), строительство которых широко
развернулось в последние десятилетия, также предъявляют особые
требования к водным ресурсам водохранилищ.
Основные элементы ГАЭС — два бас-сейна-водохранилища, верховой и
низовой, расположенные на разных уровнях, в пределах от нескольких
десятков до 200 м; здание гидроэлектростанции с обратимыми агрегатами,
работающими попеременно в насосном и турбинном режимах, трубопроводы,
соединяющие оба бассейна со зданием гидроэлектростанции. В период ночных
провалов нагрузок в энергетической системе энергия тепловых и атомных
электростанций используется агрегатами, работающими в насосном режиме
для подкачки воды из низового бассейна в верховой. В период же пика
нагрузок вода из верхового бассейна сбрасывается в низовой, и ГАЭС
питает энергосистему.
На большинстве эксплуатируемых гидроаккумулирующих станций низовые и
верховые бассейны построены специально. Низовой — в русле реки путем
строительства небольшой плотины, верховой — путем выемки и обвалова-ния,
как правило, по всему периметру бассейна. По мере развития ГАЭС и
увеличения их установленной мощности (до 2 млн. кВт) предполагается
использовать
в качестве низовых бассейнов естественные озера и водохранилища.
Одна из проблем, возникающих при эксплуатации ГАЭС, — их влияние на
окружающую среду, и прежде всего на низовой бассейн. Забор в течение
суток десятков миллионов кубометров воды в верховой бассейн и сброс этой
воды снова в водохранилище оказывают существенное влияние на режим
уровней, течения, а следовательно, и на все гидрологические процессы в
водоеме. Значительная ежесуточная амплитуда колебаний уровня водоемов
активизирует процессы переработки берегов, влияет на условия нереста и
нагула рыбы, на внутриводоемную растительность, качество воды, на
состояние и условия использования пляжей.
Естественно, что, чем крупнее водохранилище, тем меньше меняются
природные условия при использовании его в качестве низового бассейна
ГАЭС. Использование же в качестве низовых бассейнов ГАЭС небольших
водохранилищ и естественных озер существенно влияет на их экосистему и
хозяйственное использование.