Прогнозирование последствий чрезвычайных ситуаций на гидротехнических сооружениях Павловской ГЭС - Дипломная работа

На основе литературного обзора (раздел 1 «Чрезвычайные ситуации, характерные для данного объекта») строительство и использование гидротехнических сооружений в народном хозяйстве существенно возросло (в РБ около 1,5 тысяч ГТС). Гидротехнические сооружения являются потенциально опасными объектами, чрезвычайные ситуации на которых могут привести к большим человеческим жертвам и значительному материальному ущербу. Для расчета последствий чрезвычайных ситуаций на гидротехнических сооружениях Павловской ГЭС, проведена оценка состояния сооружений и рассмотрено местоположение данного объекта. На объекте имеется в наличии группа наблюдений за состоянием ГТС в количестве 3 человек, осуществляющая надзор за безопасностью ГТС в объеме и сроки удовлетворяющие требованиям руководящих документов, а также спасательная группа в количестве 50 человек. Дан анализ вероятных причин возникновения чрезвычайных ситуаций на гидросооружениях Павловской ГЭС, включающих субъективные и объективные данные (фильтрация воды в нижний бьеф, нарушения, допущенные при эксплуатации ГТС, землетрясения, оползни, паводки редкой повторяемости и другие).

Родиной самых первых гидротехнических сооружений (ГТС) можно назвать Древний Египет, где до наших дней сохранились остатки одного из самых ранних гидротехнических сооружений - плотины Сад Эль-Кафар, которая была построена приблизительно между 2950 и 2750 гг. до н. э. Еще в древних цивилизациях жизненно важным фактором было управление водными ресурсами с целью обеспечения орошения и водоснабжения. Поэтому площадь водного зеркала создаваемых водохранилищ постоянно увеличивалась, а после 1915 г. стало возможным создание водохранилищ с площадью водного зеркала более 100 кв. км, в результате изменений в технологии земляных и бетонных работ, позволивших возводить крупные и сравнительно дешевые сооружения. Но бум гидротехнического строительства приходится на последние 30-40 лет, когда было построено более 85 % всех существующих в мире плотин.

Ежегодно на земном шаре вступают в эксплуатацию несколько сот новых водоемов - водохранилищ с общей площадью, превосходящей акваторию десяти Азовских морей. Сейчас не так уж много рек, на которых нет хотя бы подобного сооружения. Так, «в России построено и находится в эксплуатации свыше 3 тыс. водохранилищ». [1, с.1] Ежегодно в строй вступает от 300 до 500 новых водохранилищ. Многие крупные реки планеты - Волга, Ангара, Миссури, Колорадо, Парана и др. - превращены в каскады водохранилищ.

Однако создание водохранилищ имеет негативную сторону. С одной стороны, они объективно нужны для социально-экономического развития общества, для снабжения населения водой, продовольствием, энергией, в борьбе с наводнениями и т.д. С другой - оказывают отрицательное воздействие на природу и хозяйство речных долин выше и ниже створа плотин, а также являются источником возможной угрозы жизни населения, проживающего ниже створа гидроузла, и нанесению большого материального ущерба, т.е. являются потенциально опасными объектами.

Подпорные гидротехнические сооружения довольно надежны и долговечны - многие из них функционируют десятки и даже сотни лет. Однако материалы мировой статистики и события недавних лет свидетельствуют о том, что аварии на гидроузлах возможны, они могут привести к повреждению и разрушению плотин и примыкающих к ним сооружениям.

Последствия аварии водохранилища (например, прорыв большой плотины на реке) могут быть исключительно велики. В отличие от промышленных, транспортных и других сооружений, ущерб от аварий которых во многих случаях оценивается стоимостью восстановления разрушенных частей самого сооружения, ущерб от аварии подпорного гидросооружения обычно во много раз превосходит его стоимость. Это объяснятся тем, что при этом, помимо человеческих жертв, разрушаются и другие сооружения на реке и ее берегах, парализуется деятельность предприятий целых районов, базировавшихся на данном гидросооружении, восстановление же последнего требует обычно ряда лет. Это обстоятельство заставляет считать гидросооружения весьма ответственными сооружениями, проектирование, строительство и эксплуатация которых требует исключительного внимания.

Как часто все же происходит авария с гидротехническими сооружениями? «Французские специалисты дают такой ответ на этот вопрос. Начиная с VIII в. каждые 5 лет разрушалась 1 плотина. За сорокалетний срок, предшествовавший 1975 г., количество аварий значительно увеличилось и составляло примерно 1 катастрофу в среднем с 50 человеческими жертвами каждые 15 месяцев. Причиной этого является строительство все более высоких плотин с большими водохранилищами в сложных природных условиях». [2, с. 15]

Гидротехнические объекты могут быть источником колоссальных бедствий и не по причине непосредственного разрушения сооружений. К примеру, спустя несколько лет после окончания строительства высотной плотины и заполнения водой водохранилища «Вайонт» в Италии, 9 октября 1963 г. 240 млн. куб. м меловых пород оторвались от горы Ток и сместились в водохранилище. Только 15 сек. понадобилось для полного заполнения грунтом чаши водохранилища, выплескивания воды на противоположный склон на высоту 260 и 100 м над плотиной. Плотина осталась стоять, но… только мертвым памятником трем тысячам жертв, погибших в этой катастрофе. В результате разрушен г. Лонжерон.

Создание и эксплуатация водохранилищ вызывают также значительные изменения в природе и хозяйстве речных долин, на прилегающих к ним территориям, в долинах ниже плотин и в приустьевых участках морей и озер, в которые впадают зарегулированные водохранилищами реки. Однако следует отметить, что значительные или заметные изменения в окружающей среде вызывают преимущественно крупные и некоторые средние водохранилища. Влияние небольших и малых водохранилищ на природу и хозяйство территории, обычно невелико, а нередко и положительно.

«Проблема потенциальной опасности гидротехнических сооружений в Башкортостане весьма актуальна. В республике около 1500 различных гидротехнических сооружений; некоторые из них находятся в аварийном состоянии или просто бесхозными». [3, с. 13]

Так, 7 августа 1994 г. произошла авария на плотине Тирлянского водохранилища в бассейне реки Белой в РБ, когда после интенсивных дождей изза изношенности механизмов не удалось открыть все отверстия берегового водосброса (работало только одно) и вода из переполненного водохранилища устремилась через гребень земляной плотины, которую разрушило в течение нескольких часов (семиметровая волна прорыва снесла поселок Тирлян, погибли 28 человек). В результате, жители населенных пунктов, расположенных в районе каких-либо ГТС, стали с некоторой опаской и паническим недоверием относится к данному виду сооружений на реках.

Как уже говорилось выше, бум строительства ГТС пришелся на последние 30-40 лет. В этот же период, с 1950 - 1961гг., были построены и ГТС Павловской ГЭС.

Павловский гидроузел был построен в целях комплексного использования водных ресурсов реки Уфы, с учетом перспективного развития энергопотребления, водоснабжения и судоходства. Водохранилище используется для перевозки пассажиров, сухогрузов, нефтепродуктов, леса, лесоматериалов и в целях рекреации. На его берегах расположено 11 учреждений отдыха: турбазы, базы отдыха, детские и спортивные лагеря.

В комплекс Павловского гидроузла входят водоподпорные, водопроводящие, судоходные и другие сооружения, повреждения которых могут привести к возникновению чрезвычайных ситуаций, поскольку от их надежности зависит не только работа Павловской ГЭС, но и функционирование хозяйственных и промышленных объектов региона. Ниже створа водоподпорных сооружений головного узла, в 5-10 км от створа, расположены населенные пункты Красный Ключ, Нижняя Павловка, Яман-Елгинский ЛПХ, Кировка.

Согласно статье 21 п.2 Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений» [4] принятого Государственной Думой 23 июня 1997 года «гидротехнические сооружения, которые находятся в эксплуатации при вступлении в силу настоящего Федерального закона, вносятся в Российский регистр гидротехнических сооружений в безусловном порядке без представления деклараций безопасности гидротехнических сооружений». Следовательно, гидротехнические сооружения Павловской ГЭС находятся в российском регистре ГТС с момента вступления в силу вышеупомянутого Федерального закона и на них распространяются требования, предъявляемые этим законом к ГТС.

Одним из требований к ГТС, предъявляемых Федеральным законом, является предоставление Декларации безопасности - основного документа, который содержит сведения о соответствии гидротехнического сооружения критериям безопасности. «Декларация необходима для организации контроля за соблюдением мер безопасности, оценки достаточности и эффективности мероприятий по предупреждению и ликвидации ЧС на промышленном объекте. Он является документом, где отражаются характер и масштабы опасностей на промышленном объекте и мероприятия по обеспечению промышленной безопасности и готовности к действиям в техногенных чрезвычайных ситуациях. Обязательному декларированию безопасности подлежат проектируемые и действующие промышленные объекты, имеющие в составе особо опасные производства, а также гидротехнические сооружения, хвостохранилища (отходы производств) и шлаконакопители, на которых возможны гидродинамические аварии». [5, с.7-8]

Учитывая вышеизложенное и во исполнение требований ФЗ «О безопасности ГТС», Павловская ГЭС была включена в перечень объектов электроэнергетики, подлежащих декларированию безопасности в 1998 году (совместный приказ Минтопэнерго России и МЧС России от 31 декабря 1997 г. №461/792), и к 29 сентября 1999 г. Декларация безопасности ГТС Павловской ГЭС была разработана.

Из сведений, представленных в декларации, можно сделать вывод, что гидротехнические сооружения находятся в работоспособном состоянии и условия их эксплуатации соответствуют действующим нормам и правилам. Уровень безопасности ГТС оценивается как «нормальный». Представленная информация о мерах по локализации и ликвидации чрезвычайных ситуаций, защите от них населения и территорий позволяет сделать вывод, что Павловская ГЭС готова в случае необходимости к ликвидации и локализации чрезвычайных ситуаций.

Павловская ГЭС имеет в необходимом объеме лицензии на осуществление видов деятельности, связанных с обеспечением безопасности. На гидроузле существует группа наблюдений за состоянием ГТС в количестве 3 человек, которая осуществляет надзор за безопасностью ГТС в объеме и сроки удовлетворяющие требованиям руководящих документов, а также спасательная группа в количестве 50 человек.

Однако проблема повышения устойчивости функционирования любых ГТС в современных условиях приобретает все большее значение в связи с: · снижением трудовой и технологической дисциплины на всех уровнях;

· высоким производственным износом основных фондов, с одновременным снижением темпов их обновления (Павловская ГТС эксплуатируется уже более 40 лет, а фактическая реализация ремонтных работ сдерживается изза финансовых возможностей ОАО «Башкирэнерго»);

· слабой нормативно-правовой базой, обеспечивающей страхование объекта на случай ущерба (договора страхования Павловской ГЭС на случай ущерба от стихийного бедствия не имеется, в связи с отсутствием нормативно технической документации по определению ущерба и страхования ГТС);

· отставанием отечественной практики от зарубежной в области использования научных основ проблемного риска в управлении безопасностью и предупреждением ЧС;

· повышение вероятности возникновения военных конфликтов и террактов.

В сценарии возможной аварии на гидроузле, изложенном в Декларации безопасности Павловской ГЭС, а также в результатах расчета возможного ущерба от этой аварии, уровень безопасности оценивается как нормальный, а возможный ущерб от аварии не подлежит обязательному учету для сооружений 2-го класса. Поэтому в дипломной работе расчет возможных последствий от аварии производился не по предложенному сценарию в декларации безопасности, а по сценарию с большой редкостью, а, следовательно, и ущербом.

Большая часть многих современных ГТС функционирует 20-30 лет (Павловский гидроузел - 40 лет). Это значит, что они входят в период «старения» и нуждаются в особом внимании. В связи с этим необходимо рассмотреть различные сценарии возможных аварий, в том числе опорожнение водохранилищ, предусмотреть оценку последствий и составление карт последствий разрушения ГТС (возможного прохождения волн прорыва), а также разработать рекомендации по оповещению и спасению людей.

В данном дипломной работе в разделе 1 представлены краткая информация о гидросооружениях, а также данные о различных авариях, произошедших на гидроузлах.

В разделах 2, 3 проведен анализ безопасности гидротехнических сооружений Павловской ГЭС, дано краткое описание Павловского гидроузла и рассмотрены уязвимые места гидротехнических сооружений Павловской ГЭС.

В разделе 4 рассмотрен вопрос сейсмоустойчивости ГТС, приведены основные принципы сейсмостойкого строительства различных типов плотин.

В разделе 5, 6 приведены сведения об имевших место аварийных ситуациях на Павловском гидроузле, сценарий возможной аварии на Павловском гидроузле, а также оценка величины ущерба.

В разделе 7 рассмотрены мероприятия по обеспечению безопасности объекта, а в Приложении проведен расчет прохождения волны прорыва и затопления местности в результате аварии на Павловском гидроузле с использованием программы «ВОЛНА 2.0».

1. Чрезвычайные ситуации, характерные для данного объекта и их последствия.

1.1 Общие сведения о гидротехнических сооружениях

Особенности и условия работы гидротехнических сооружений.

Основная особенность гидротехнических сооружений и отличие их от других видов инженерных сооружений состоит в том, что они работают (эксплуатируются), находясь в стоячей или движущейся воде, которая оказывает на них силовое (механическое), физико-химическое и биологическое воздействия.

Механическое воздействие воды на сооружение сказывается в виде давления - гидростатического и гидродинамического. Давление воды является основной нагрузкой большинства гидротехнических сооружений, определяющей их размеры и формы.

Но вода оказывает механическое давление на гидротехнические сооружения не только как жидкость. В холодный период ледяной покров, образующийся в водоемах, может производить статическое давление при повышении температуры льда и динамическое - в виде ударов плывущих льдин.

Наносы, влекомые потоком, осаждаясь перед гидросооружениями, также создают на них статическое давление, действующее в ту же сторону, что и напор воды.

Физико-химическое действие воды сказывается на материале сооружения и на водонепроницаемом грунте основания. Так, движущаяся с большими скоростями вода, особенно если она влечет с собой наносы, истирает поверхности сооружения, разрушает речное ложе; металлические части подвергаются коррозии, вследствие чего полезная толщина их постепенно уменьшается. Бетонные части сооружений, находясь под действием фильтрующейся через них воды, могут разрушаться в результате выщелачивания из них несвязной (свободно) извести, если вода обладает агрессивными (по отношению к бетону) свойствами.

Биологическое действие сказывается в разрушительной деятельности живущих в воде различных микроорганизмов. Последняя выражается в гниении дерева и истачивании его морской шашелью, в разрушении камня в морской воде камнеточцем.[2, с. 13-14]. Кроме того, в определенных условиях (в глубоких водохранилищах) наличие некоторых микроорганизмов приводит к появлению органической серы (сероводорода), которая в присутствии воды превращается в серную кислоту, разрушающую бетон. [6, с. 19].

Классификация гидротехнических сооружений.

Гидротехнические сооружения классифицируют по нескольким признакам.

В зависимости от того, воспринимают ли они напор воды, их делят на напорные и безнапорные. У напорных сооружений уровень воды перед сооружением всегда выше, чем за ним; эту разность уровней называют напором. У безнапорных сооружений уровни воды перед сооружением и за ним практически равны.

Часть реки или водоема по ту сторону напорного сооружения, где уровень воды более высок, называют верхним бьефом (сокращенно - в. б.), а по другую сторону - нижним бьефом (н. б.); в некоторых случаях вода в нижнем бьефе может отсутствовать.

Одни гидротехнические сооружения применяют во всех отраслях водного хозяйства, другие только в некоторых из них. В зависимости от этого их делят на сооружения общего и специального назначения.

К гидротехническим сооружениям о б щ е г о назначения относятся следующие.

Водоподпорные (водоподъемные) сооружения, создающие и поддерживающие подпор воды, т.е. поднимающие уровень в реках и озерах до заданных отметок; к ним относятся все типы плотин и дамб, которыми перегораживают естественные и искусственные водотоки, приплотинные здания ГЭС, напорные водозаборы.

Водозаборные (водоподводящие) сооружения строятся для подачи воды из рек, озер, водохранилищ, прудов к местам ее потребления и использования; в зависимости от природных условий они бывают в виде каналов, лотков различных сечений и конструкций, трубопроводов туннелей.

Регуляционные и берегоукрепительные сооружения предназначены для регулирования речных русел в целях создания благоприятных условий для протекания в них водного потока и предотвращения его разрушающего действия на русло, защиты населенных пунктов и земельных угодий от затоплений; улучшения условий пропуска шуги, внутриводного и поверхностного льда на зажорно-заторных участках рек и селей на селеопасных участках рек; улучшения условий подхода водных потоков к отверстиям мостовых переходов и дорожных труб. К этим сооружениям относятся струенаправляющие дамбы, запруды и полузапруды, траверсы, прокопы, а также подпорные стенки, ограждения и укрепления для предохранения берегов от размыва и др.

Сопрягающие сооружения служат для безопасного сопряжения потоков, озер, водохранилищ, расположенных на разных отметках, при их соединении между собой; для сопряжения с нижним бьефом потоков, протекающих через водосбросы плотин. Эти сооружения возводят при прокладке каналов в местах сосредоточенного падения местности, где возникает угроза размыва русел. Сопрягающие сооружения устраивают при некоторых типах ГЭС, используя как аварийные сбросы воды.

Водосбросные (водосливные) сооружения предназначены для сброса излишков воды из водохранилищ в н. б. Во избежание их переполнения в периоды половодий и паводков, а также для опорожнения водохранилищ.

К гидротехническим сооружениям общего назначения могут быть отнесены следующие типы, изредка встречающиеся в основных отраслях водного хозяйства. Это ледосбросные сооружения (ледосбросы и шугосбросы) применяют в составе гидроузлов на реках с тяжелыми условиями ледохода и шугоносных реках при необходимости пропуска льда и шуги из верхних бьефов (при малой их емкости) в нижние; отстойники и промывные устройства, служащие для улавливания речных наносов перед входами в водозаборные сооружения и для удаления промыва задержанных наносов из отстойников в нижний бьеф; рыбопропускные сооружения (рыбоходы, рыбоподъемники), служащие для обеспечения прохода рыб к нерестилищам через напорные сооружения.[6, с. 20-24]

Гидроэнергетические (здания ГЭС, уравнительные резервуары, строящиеся при некоторых ГЭС и т.п.).

Воднотранспортные (судоходные шлюзы, судоподъемники, пристани, лесоплавильные лотки и т.п.).

Гидросооружения водоснабжения и канализации (насосные станции, очистные сооружения и т.п.).

Гидромелиоративные, предназначенные для целей инженерных мелиораций (шлюзы-регуляторы, дренажные устройства и т.п.).

Гидросооружения рыбного хозяйства (рыбоходы, рыбоводные пруды и т.п.).

Гидротехнические сооружения, выполняющие защитные функции (от наводнений, селей, эрозии, оползней и т.п.).

Особую группу специальных гидротехнических сооружений составляют гидрологические расходомеры, т.е. устройства для измерения расходов воды на малых и средних водотоках.

По основному строительному материалу, используемому при создании гидросооружений, они подразделяются на сооружения: а) из местных строительных материалов (земляные, деревянные, каменные);

б) из дальнепривозных материалов (бетонные, железобетонные, металлические).

Гидроузлы.

Широко практикуемое в нашей стране комплексное использование водных ресурсов приводит к тому, что перечисленные выше различные по водохозяйственному назначению гидротехнические сооружения обычно группируются в те или иные комплексы по несколько сооружений для совместного выполнения ряда водохозяйственных функций. Такие комплексы называются гидроузлами. [2, с. 10-11].

По величине напора гидроузлы делят на низконапорные (с напором 2-10 м), перегораживающие речные русла и поймы, средненапорные (с напором 10-40 м) и высоконапорные (с напором более 40 м), перегораживающие речные русла, поймы и долины.

Постоянные гидротехнические сооружения по значению и роли в гидроузлах разделяют на основные и второстепенные. К первым относятся сооружения, прекращение работы которых в случае аварии или капитального ремонта приводит к полной остановке или значительному снижению мощности гидроэлектростанции, пропускной способности водозаборов, водопроводящих сооружений, сокращению судоходства, лесосплава, водоснабжения. При строительстве к ним предъявляются повышенные требования.

Второстепенные - это сооружения, прекращение работы которых не приносит значительного ущерба водному хозяйству. К ним относятся подпорные и раздельные стенки, облицовки каналов и берегов, струенаправляющие дамбы, ледозащитные сооружения. [6, с. 25-26].

Если несколько гидроузлов совместно и взаимосвязанно решают комплекс водохозяйственных проблем на значительной территории, т.е. являются объединенными (географически, экономически, организационно) в общую систему или гидросистемы. Ярким примером гидросистемы может служить река Волга с расположенными в ее бассейне крупными гидротехническими комплексами. [2, с.11]. (Схемы гидроузла представлены на рис. 1.1.1, 1.1.2)

Водохранилища и их отличия от других типов водоемов.

Из всего многообразия преобразующей деятельности человека как по своим масштабам, так и по значению в глобальных экологических системах планеты особо выделяются два процесса: освоение новых территорий для сельскохозяйственного производства, промышленного и гражданского строительства и преобразование речного звена гидросферы на огромных пространствах суши путем гидротехнического строительства.

Гидротехническое строительство осуществляется на всех континентах планеты. Наибольшее значение имеют различного рода мелиорации (осушение и орошение) и создание новых водных объектов - водохранилищ и каналов. Водохранилища - ключевые, базовые элементы гидротехнических и водохозяйственных систем любого ранга, поскольку именно они позволяют осуществить регулирование водных ресурсов, преобразование гидросферы в желаемом для общества направлении.

К внутренним водоемам относят озера, лиманы, водохранилища, пруды. Водохранилища и пруды - очень похожие объекты. Разница между ними в размерах, но имеют значение и менее очевидные признаки.

Водохранилищами следует считать искусственно созданные долинные, котловинные и естественные озерные водоемы с замедленным водообменом, полным объемом более 1 млн. куб. м, уровенный режим которых постоянно регулируется (контролируется) гидротехническими сооружениями в целях накопления и последующего использования запасов вод для удовлетворения хозяйственных и социальных потребностей.

Необходимо отметить, что использование водохранилищ связано не только с безвозвратным изъятием воды. Для рыбного хозяйства, рекреации, охлаждения агрегатов электростанций, поддержания гарантированных судоходных глубин в пределах водохранилища и т.п. нужна акватория и водная масса в целом, а не только полезный объем, т.е. ежегодно расходуемый запас воды (рис. 1.2.1, 1.2.2).

У водохранилищ нет природных аналогов. Лишь по форме чаши с ними сходны завально-запрудные озера. Здесь следует отметить наиболее важные особенности водохранилищ.

1. Водохранилища - антропогенные, управляемые человеком объекты, но они испытывают и сильнейшее воздействие природных (прежде всего гидрометеорологических) факторов, поэтому как объекты изучения, использования и управления занимают промежуточное положение между «чисто природными» и «чисто техническими» образованиями. Это дает им право именовать их природно-техническими системами.

2. Водохранилища заметно, а нередко и значительно воздействуют на окружающую среду, вызывая изменения природных и хозяйственных условий на прилегающих территориях. Естественно, что наряду с заранее запланированными благоприятными последствиями возникают также и последствия негативного, неблагоприятного характера.

3. Водохранилищам свойственна особая система так называемых внутриводоемных процессов - гидрологических, гидрофизико-химических и гидробиологических.

4. Водохранилища - водоемы, наиболее интенсивно используемые различными отраслями хозяйства. На каждом значительном водохранилище формируется водохозяйственный комплекс (ВХК). Среди компонентов ВХК, т.е. всех отраслей хозяйства, использующих водохранилище и реку в нижнем бьефе, выделяют отрасли, заинтересованные в создании водохранилища и финансирующие его. Остальные отрасли используют водохранилище, поскольку оно существует. Участники ВХК предъявляют различные, а подчас противоречивые требования к режиму использования водохранилищ.

5. Для водохранилищ как природно-хозяйственных объектов характерна чрезвычайно высокая динамичность развития (эволюции).

Рассмотрим кратко эти принципиальные особенности.

Водохранилища - управляемые объекты. Это означает, что основные параметры водохранилища (объем, площадь, место расположения и режим регулирования), а вместе с ними и многие другие характеристики определяются человеком на стадии проекта; в составе гидроузлов имеются специальные технические системы, сооружения, и устройства (гидротурбины, водосбросные отверстия с затворами), позволяющие менять объем и уровень воды в водохранилище. Главная особенность решений, связанных с эксплуатацией водохранилищ, - некоторая неопределенность, обусловленная стохастическим характером направленности и интенсивности гидрометеорологических процессов в водосборном бассейне.

Водохранилища следует рассматривать как природно-технические системы, комплексы, которые состоят из природной и технической подсистем, диалектически связанных между собой. Учет этого взаимодействия может существенно увеличить возможности рационального и комплексного использования водохранилищ, а игнорирование - привести к значительным потерям. Управляя технической подсистемой водохранилищ, человек может вызвать развитие таких процессов, явлений и эффектов в природной подсистеме, которые он пока не в состоянии предотвратить, либо их преодоление требует значительных затрат трудовых и материальных ресурсов. Поэтому управляемыми объектами водохранилища можно считать лишь частично. Непосредственно и полностью человек управляет только запасами воды, а экосистемой и геосистемой водохранилища - частично и косвенно.

При создании водохранилищ происходят многообразные изменения природных и хозяйственных условий на территориях, как непосредственно прилегающих к новому водоему, так и на удаленных от него вниз по течению реки. Масштабы, глубина и направленность этих изменений определяются размерами нового водоема (площадь, объем водной массы, длина, ширина) и своеобразием природных условий района, которые могут ослаблять или, наоборот, усиливать влияние водохранилища.

Когда говорят, что водохранилищам присуща особая система внутриводоемных процессов, имеют в виду, что свойственные им гидрологические, гидрофизико-химические и гидробиологические процессы не идентичны тем, которые наблюдаются в других водных объектах - озерах, реках и каналах. Ведущими факторами, определяющими специфику взаимосвязанных и взаимообусловленных внутриводоемных процессов в водохранилищах, служат водообмен и уровенный режим водоема. Один из показателей водообмена - период, в течение которого происходит полная смена водной массы: для водохранилищ разного типа он может составлять от нескольких суток до нескольких лет.

Амплитуда колебаний уровня воды в разных водохранилищах изменяется также в широких пределах - от нескольких десятков сантиметров для равнинных водохранилищ, до многих десятков и даже более 100 м для горных водохранилищ (рис. 1.2.3).

Именно эти факторы и отличают условия развития внутриводоемных процессов в водохранилищах от тех, которые характерны для озер и рек. Проявляется это в том, что в водохранилищах создаются активные гидродинамические зоны транзитного стока, т.е. направленного движения воды к плотине, и образуются зоны водоворотных циркуляций, когда частицы воды перемещаются по очень сложным замкнутым траекториям. Наличие такой сложной гидродинамической структуры определяет многие важные для водоемов особенности: формирование и движение водных масс; термический, газовый и биогенный режимы; перемещение и осаждение минеральных и органических взвесей; процессы самоочищения воды и, наконец, жизненно важные условия обитания бактерий, организмов, живущих в толще воды (планктон), донных организмов (бентос), водная растительность, рыб.

Процессы трансформации вещества и энергии в водохранилищах имеют иные, чем в озерах и реках, масштабы, направленность, интенсивность и длительность. Это выражается в показателях качества воды, в структуре и продуктивности водных систем. В целом водохранилища можно рассматривать как своеобразные огромные преобразователи и аккумуляторы вещества и энергии, но только не автономные, как, например, озера. Рекам же, в отличие от водоемов с замедленным водообменом, наоборот, свойственен поточный механизм преобразования вещества и энергии.

Этот накопительный эффект водохранилищ имеет как положительные (осветление воды, снижение ее цветности, уменьшение содержания вредных бактерий), так и отрицательное значение (уменьшение самоочищающей способности воды, образование застойных зон, больше, чем в реках, прогревание воды, особенно на мелководьях, и как следствие - евтрофирование новых водоемов). Характерные примеры евтрофирования водохранилищ: избыточное развитие сине-зеленых водорослей (цветение воды), чрезмерное продуцирование биомассы водной растительности (заболачивание акваторий).

Возрастающее экономическое значение водохранилищ выражается в формировании водохозяйственных комплексов - они оказываются вовлеченными в систему связей и отношений не только собственно водохозяйственных, но и социально-экономических, т. к. со временем и другие отрасли хозяйства оказываются заинтересованными в его использовании.

И, наконец, несколько слов еще об одной принципиальной особенности водохранилищ - высокой их динамичности как природно-хозяйственных объектов. Эта динамичность обусловлена тремя факторами: 1) изменчивостью гидрометеорологических процессов, определяющих гидрологический режим водоема;

2) стремительным изменением воздействия хозяйства на природную среду, в том числе и на водоемы;

3) изменениями по разным причинам режима эксплуатации водохранилищ.

Совокупное воздействие указанных факторов приводит к тому, что водохранилища крайне редко можно считать стационарными объектами, эволюцию которых легко и однозначно определить на основе прошлой предыстории. Поэтому если и говорится о каком-либо равновесном состоянии водохранилищ, то всегда подразумевается динамическое равновесие их как природно-хозяйственных объектов, которое может резко нарушится при изменении любого из указанных выше факторов. Динамичность водохранилищ проявляется во всех их характеристиках, но, пожалуй, наиболее ярко - в процессах формирования берегов, изменения качества воды, структуры и продуктивности водных и наземных (в береговой зоне) экосистем. В специальной литературе иногда даже употребляется термин «эволюция водохранилищ», однако если эволюция озер продолжается в течение многих сотен и тысяч лет, то в водохранилищах существенные изменения основных процессов и явлений происходят по крайне мере на порядок быстрее. Если в озерах изменение носит степенный и направленный («правильный») характер, то водохранилища развиваются циклически и скачкообразно в соответствии с соотношением изменений ведущих факторов. [7, с.9-13].

Классификация водохранилищ.

Более 30 тыс. водохранилищ земного шара, эксплуатируемых в настоящее время, существенно различаются между собой по параметрам, режимным характеристикам, направлению хозяйственного использования и воздействию на окружающую среду.

Для решения многих не только научных, но и практических вопросов проектирования, создания и использования водохранилищ особое значение приобретает упорядочение и систематизация колоссального объема разнообразных сведений и данных о водохранилищах. Необходимый начальный этап универсальной систематизации водохранилищ - разработка частных (по отдельным критериям, параметрам и признакам) классификаций и типизаций. Здесь следует охарактеризовать наиболее важную из них - типизацию по генезису.

Типизация по генезису. В основу типизации водохранилищ может быть положен, прежде всего, признак генезиса, указывающий на способ их образования. Естественные емкости, в которых аккумулируется вода, принято называть чашами водохранилищ (рис. 1.2.6). Используя этот признак, следует различать

· водохранилища в долинах рек, перегороженных плотинами, в том числе и на временных водотоках;

· наливные водохранилища;

· зарегулированные озера;

· водохранилища в местах выхода грунтовых вод и в карстовых районах;

· водохранилища прибрежных участков моря и эстуариев, отделенных от открытого моря дамбами. [7, с.18-19].

Типы, параметры и характеристики водохранилищ.

Водохранилища могут быть в виде крытых резервуаров, открытых бассейнов типа прудов-копаней, лиманов, и водоемов, образованных плотинами (плотинные водохранилища).

Крытые резервуары, открытые бассейны и лиманы обычно отличаются незначительным объемом и находят себе применение в водоснабжении и обводнении в качестве резервуаров суточного регулирования. Открытые бассейны, образованные обвалованием, используются также и для суточного регулирования на ГЭС.

Плотинные водохранилища (рис. 1.2.4) отличаются значительным объемом и позволяют осуществлять сезонное и многолетнее регулирование стоков. Они получили широкое распространение в практике водохозяйственного строительства.

Водохранилище плотинного типа имеет следующие элементы: · плотина, · водозаборные сооружения для изъятия необходимого количества воды, · водосбросные устройства для сбросов излишков воды, · устройства для промыва насосов при значительном количестве последних.

Кроме этого, плотинные водохранилища характеризуются величиной полезного объема, или так называемой сливной призмой, величиной мертвого объема (МО) и соответствующими характерными уровнями воды. [6, с. 316].

Главная цель создания водохранилищ - регулирование стока. Оно делается в основном в интересах энергетики, ирригации, водного транспорта, водоснабжения и в целях борьбы с наводнениями.

Для этого в водохранилищах аккумулируется сток в одни периоды года и отдается в другие периоды.

Период аккумуляции стока называется наполнением водохранилища, а процесс отдачи накопленной воды - сработкой водохранилища. Как наполнение водохранилища, так и его сработка производятся всегда до более или менее определенных уровней (рис. 1.2.5). Высший проектный уровень водохранилища (верхнего бьефа плотины), который подпорные сооружения могут поддерживать в нормальных эксплуатационных условиях в течение длительного времени, называется нормальным подпорным уровнем (НПУ). На нормальный подпорный уровень рассчитываются как сооружения инженерной защиты, так и все промышленные, транспортные, коммунальные и другие сооружения, располагающиеся на берегах водохранилища. Минимальный уровень водохранилища, до которого возможна его сработка в условиях нормальной эксплуатации, называется уровнем мертвого объема (УМО). Объем воды, заключенный между НПУ и УМО, называется полезным, так как именно этим объемом воды и можно распоряжаться в различных хозяйственных и других целях. Объем же воды, находящийся ниже УМО, называется мертвым, так как использование его в нормальных условиях эксплуатации не предусматривается.

Пропускная способность гидроузла (его турбин, водосливных пролетов, донных отверстий, шлюзов) по экономическим и реже техническим соображениям ограничена. Поэтому когда по водохранилищу идет расход редкой повторяемости (раз в сто, тысячу, а то и десять тысяч лет), гидроузел не в состоянии пропустить всю массу воды, идущую по реке. В этих случаях уровни воды на всем водохранилище и у плотины повышаются, увеличивая его объем иногда на значительную величину; одно

1. На основе литературного обзора (раздел 1 «Чрезвычайные ситуации, характерные для данного объекта») строительство и использование гидротехнических сооружений в народном хозяйстве существенно возросло (в РБ около 1,5 тысяч ГТС). За последние годы большая часть современных ГТС функционирует 20-30 лет (Павловский гидроузел - 40 лет), т.е. они входят в период «старения» и нуждаются в особом внимании. Кроме того, часть ГТС находится либо в аварийном состоянии, либо являются бесхозными, в результате чего возросло количество аварий на них.

Гидротехнические сооружения являются потенциально опасными объектами, чрезвычайные ситуации на которых могут привести к большим человеческим жертвам и значительному материальному ущербу.

2. Для расчета последствий чрезвычайных ситуаций на гидротехнических сооружениях Павловской ГЭС, проведена оценка состояния сооружений и рассмотрено местоположение данного объекта. Показано, что некоторые сооружения Павловского гидроузла находятся в изношенном состоянии, допущены просчеты при строительстве гидроузла.

Сохраняется тенденция застройки нижнего бьефа гидроузла, продолжается рост города Уфы, находящегося на расстоянии 156 км от ГТС. Также ниже Павловской ГЭС расположено значительное количество крупных населенных пунктов, которые могут пострадать в результате аварии на ГТС.

На объекте имеется в наличии группа наблюдений за состоянием ГТС в количестве 3 человек, осуществляющая надзор за безопасностью ГТС в объеме и сроки удовлетворяющие требованиям руководящих документов, а также спасательная группа в количестве 50 человек.

3. Показано, что существует значительное количество уязвимых мест ГТС Павловской ГЭС. В основном это ошибки и отступления от проектных решений при строительстве, которые сделали эксплуатацию ГТС довольно затруднительной, а также не укреплен левый берег отводящего канала, не оформлена рисберма отводящего канала, проект постройки ГТС выполнен без учета сейсмического воздействия. Кроме того, необходимые ремонтные работы выполняются с опозданием вследствие плохого финансирования. В процессе эксплуатации имели место отдельные случаи нарушений.

Дан анализ вероятных причин возникновения чрезвычайных ситуаций на гидросооружениях Павловской ГЭС, включающих субъективные и объективные данные (фильтрация воды в нижний бьеф, нарушения, допущенные при эксплуатации ГТС, землетрясения, оползни, паводки редкой повторяемости и другие).

4. Рассмотрены случаи аварий, возникающих в результате сейсмического воздействия на них, а также наиболее распространенный характер повреждений плотин из грунтовых материалов (какими являются плотины гидротехнических сооружений Павловской ГЭС) при воздействии землетрясения.

Показано, что при выполнении некоторых мероприятий, направленных на повышение сейсмостойкости гидротехнических сооружений, возможно практически полное исключение разрушения плотин в результате землетрясения.

5. Рассмотрен сценарий возникновения чрезвычайных ситуаций при использовании гидротехнических сооружений, а также расчет величины ущерба в результате реализации этого сценария.

Ущерб от наиболее вероятного сценария аварии на ГТС Павловской ГЭС не подлежит учету по «Методике оперативной оценки безопасности ГТС…» разработанной ОАО «НИИЭС» в 1997 г. и рекомендованной письмом от 27.01.98 г. №02-01-3-4/82 РАО «ЕЭС России» к использованию при составлении Декларации безопасности. Поэтому для расчета возможной величины ущерба от разрушения гидроузлов предложен другой сценарий (Приложение №2), который является менее вероятным, но приводящим к большому ущербу.

6. Предложена оценка возможной величины ущерба от аварии, произошедшей по наиболее вероятному сценарию. Показано, что в результате аварии на водосливе, в опасной зоне может оказаться весь обслуживающий персонал, включая охрану. Развитие этой аварии не исключает человеческих жертв в зоне распространения волны прорыва.

Показано, что договора страхования Павловской ГЭС на случай ущерба от стихийного бедствия не имеется.

7. Рассмотрены мероприятия, направленные на обеспечение безопасности и повышение сейсмостойкости. В частности, мероприятия по проведению ремонтных, реконструктивных и других работ, направленных на обеспечение надежности и безопасности ГТС и мероприятия, направленные на обеспечение сейсмостойкости ГТС Павловской ГЭС (сейсмостойкость земляных и набросных плотин).

Среди мероприятий, имеющих первостепенное значение, следуют: · закончить работы по креплению левобережного откоса отводящего канала ГЭС;

· продолжение ремонтных работ по шлюзу-водосбросу;

· модернизация и замена некоторых элементов контрольно-измерительной аппаратуры;

· выявление путей фильтрационных потоков;

· инъекция фильтрующих участков бетона здания ГЭС;

· по возможности предусмотреть мероприятия сейсмостойкости;

· предусмотреть договор страхования Павловской ГЭС на случай ущерба от стихийного бедствия и т.п.

8. В Приложениях рассмотрена Методика расчета параметров затопления при разрушении гидроузлов (программа «Волна 2.0»), разработанной ЦИЭКС, ВИА им. Куйбышева, ВНИИ ГОЧС от 1998 года.

Расчет по программе «Волна 2.0» проводился по наименее вероятному сценарию: паводок редкой повторяемости - аварийный сброс - землетрясение - оползень - разрушение плотины.

В результате разрушения образуется волна прорыва, которая вызывает «сильные» разрушения зданий и сооружений, расположенных ниже створа гидроузла. Таким образом, пострадают: пгт. Нуримановского района Павловка с населением 3,9 тыс. человек, пгт. Красный Ключ с населением 3,1 тыс. человек, районный центр Нуримановского района с. Красная Горка. Кроме того, «сильные», «средние» и «слабые» разрушения будут в следующих населенных пунктах: Красный Ключ, Ильинка, Чандар, Старобирючево, Новобирючево, Красная Горка, Ахлыстино, Укман, Кляшево, Новые Карашиды, Шакша, Дудкино, Мкр. Сипайлово, Район Сафроновской пристани, другие мелкие населенные пункты

В общей сложности в зону затопления и зону прохождения волны прорыва попадают жители населенных пунктов, расположенных ниже гидроузла, в количестве около 140 000 человек. Время добегания волны прорыва: от 16 мин в близких к ГТС створах и до 8 часов. Возможность вывода и вывоза населения или материальных ценностей минимальна.

1. Коронкевич Н.И., Малик Л.К., Барабанова Е.А. Катастрофические затопления // Военные знания (библиотечка «ВЗ»). - №10. - 1998 г.

2. Субботин А.С. Основы гидротехники. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976 г. - 368 с.

3. Реки Башкортостана под надежной защитой (интервью с руководителем Бельского бассейнового водного управления Владимира Горячева) // «Комсомольская правда» в Башкортостане от 26 октября 2001 г.

4. Федеральный закон «О безопасности гидротехнических сооружений» от 23 июня 1997 г.

5. Белобородов В. Н. Предупреждение чрезвычайных ситуаций и повышение устойчивости функционирования организаций // Военные знания (библиотечка «ВЗ»). - №7. - 1998 г.

6. Гинко С. С. Основы гидротехники. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976г. - 368с.

7. Водохранилища / А. Б. Авакян, В. П. Салтанкин, В. А. Шарапов. - М.: Мысль, 1987г. - 325с. - (Природа мира).

8. Малик Л. К., Коронкевич Н. И., Барабанова Е. А. Прогноз прохождения волны прорыва при повреждении гидроузлов // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. - №2. - 1998 г.

9. Малик Л. К., Барабанова Е. А. Последствия спуска водохранилищ при повреждении плотин гидротехнических сооружений // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. - №7. - 1998 г.

10. Тарабаев Ю. Н., Зотов Ю. М., Чагаев В. П., Шульгин В. Н. Инженерное обеспечение предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций при наводнениях. (Учебное пособие). - Новогорск, Академия гражданской защиты МЧС России, -2000 г.

11. Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий. Кн. 1. / Под ред. К. Е. Кочеткова, В. А. Котляревского, А. В. Забегаева. М.: Изд-во Ассоциации строительных ВУЗОВ, 1995г.

12. Калустян Э. С. Статистика и причины аварий плотин // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. - №3. - 1997 г.

13. Декларация безопасности ГТС Павловской ГЭС. Утверждена 29 сентября 1999г. Регистрационный №51/2000 (Госэнергонадзор Минтопэнерго России). Срок действия до 29. 09. 2005 г.

14. Справка о состоянии гидротехнических соединений Павловской ГЭС АО «Башкирэнерго» от 13 июля 1998 г. - Приложение №1 к акту обследования гидротехнических сооружений Павловской ГЭС от 28 июля 1998 г.

15. Справка о техническом состоянии Павловского шлюза на 1 июля 1998 г. - Приложение №2 к акту обследования гидротехнических сооружений Павловской ГЭС от 28 июля 1998 г.

16. Савинов О. А., Сумченко Е. И. Сейсмические воздействия на ГТС. Вып. 1. Повреждения плотин при землетрясениях. М.: Информэнерго, 1976 г.

17. Гупта Х., Растоги Б. Плотины и землетрясения. М.: Мир, 1979 г. (1976, Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam)

18. Напетваридзе Ш. Г. Сейсмостойкость гидротехнических сооружений. М.: Государственное издательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1959 г.

19. Наводнения, связанные с разрушением гидротехнических сооружений. Методические указания к лабораторной работе по курсу «Природные стихийные явления» / Составитель Цвиленева Н. Ю. - Уфа, 1999г.

20. Общегеографический региональный атлас «Республика Башкортостан». Издание 1-е. М.: ЦВКФ им. Дунаева, 1999г.

21. Акт обследования гидротехнических сооружения Павловской ГЭС от 28 июля 1998 г. Утвержден зам. рук. Департамента госрегулирования и реформирования Минтопэнерго России.

22. Наука - Образование - Промышленность в решении экологических проблем. Материалы докладов международной научно - технической конференции 24-25 ноября 1999г. - Уфа: изд-во УГАТУ, 1999г.

23. План действий по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера Октябрьского района г. Уфы, 1996 г.

24. Авакян А. Б. Наводнения: причины, проблемы, защита // Военные знания (библиотечка «ВЗ»). - №5, 1998 г.

25. Кривошлыков А. Л. Анализ и оценка обстановки - основа успешного предупреждения и ликвидации ЧС // Военные знания (библиотечка «ВЗ»). - №8. - 1998 г.

26. Соколов Ю. И. Система оповещения и информирования населения о чрезвычайных ситуациях // Военные знания (библиотечка «ВЗ»). - №11. - 1998г.

27. Типовая инструкция по технической эксплуатации сооружений и водохранилищ малых ГЭС, введена в действие приказом концерна «Белэнерго» от 11.07. 2000 г. №116, - Минск, 2000г.

28. Рекомендации по обоснованию экологической безопасности создания ГЭС, Министерство природных ресурсов и охраны окружающей среды республики Беларусь, - Минск, 2000г.

29. Борщ С. В., Мухин В. М. Метод прогноза возможного ущерба от наводнений (на примере Московской области) // Метеорология и гидрология, - №7. - 2000г.

30. Нежиховский Р. А. Наводнения на реках и озерах. - Л., Гидрометеоиздат, 1988 г., 184с.

31. Галин Р. А. Население Республики Башкортостан, - Уфа, 1998 г.

32. Башкортостан, краткая энциклопедия. Уфа: Научное издательство «Башкирская энциклопедия», 1996 г.

33. Сейсмические сооружения за рубежом (под ред. В. Н. Насонова). По материалам Ш-й международной конференции по сейсмостойкому строительству. М.: издательство литературы по строительству, 1968 г.

34. Промышленная микробиология: Учебное пособие для вузов по специальности «Микробиология» и «Биология» / З. А. Аркадьева, А. М. Безбородов, И. Н. Блохина и др., под общ. ред. Н. С. Егорова. М.: Высшая школа, 1989 г., 688 с.