ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ КУЗБАССА THE HYDROENERGY RESURSES KUZBASS

Гидроэнергетические ресурсы — часть водных ресурсов, используемых для про­изводства электроэнергии. Гидравлическая энергия рек — работа, которую совершает текущая в них вода. Работа водного потока осуществляется под действием силы тяжести, поэтому действие воды определяется разно­стью уровней воды в начале и конце рассма­триваемого участка реки. При разности уров­ней Н (м), длине участка L (м) и среднем на участке реки расходе воды Q (м3/с) мощность водотока N (Вт) на рассматриваемом участке составит:
N - pgQH = 9810- QH (Вт),
где р — плотность воды, кг/м3; g — ускорение свободного падения, м/с2,
N = 9,81 QH (кВт).
За промежуток времени т (сек) работа А (кВт • ч) совершаемая водотоком, опреде­ляется по формуле:
9,81g#T WH
А = Э = 3600
где W = Qt — объем стока, м3.
Для расчета реальной (или полезной) мощности и выработки электроэнергии в формулах (1)-(3) учитывают коэффициент полезного действия П-

Согласно формулам (1)-(3), гидроэнерге­тические проекты нацелены преимуществен­но на использование либо напора (создающие достаточный перепад уровней воды), либо вод­ности потока при скорости течения, превы­шающей некоторый критический минимум.

Гидроэнергетические ресурсы (ГЭР) делят на потенциальные, технические и экономи­ческие. К потенциальным, рассчитанным по формуле (2), относятся водные ресурсы, ко­торые теоретически могут быть использованы для нужд гидроэнергетики. Технически воз­можно реализовать не весь гидроэнергетиче­ский потенциал (ГЭП). Располагаемый тех­нический потенциал ГЭР в России составляет около 64 % от теоретического [11].

Экономи­чески оправданный ГЭП — величина пере­менная и многофакторная. По мере улучше­ния изученности рек, прогресса в энергетике, изменения структуры энергетического балан­са территории, конъюнктуры энергоносите­лей и других факторов доля экономически це­лесообразных ГЭР может увеличиваться.

Принципиальные схемы современных ги­дроэлектростанций разнообразны и позволяют вырабатывать электроэнергию индивидуаль­ными погружными агрегатами, оборудованны­ми турбиной и генератором, что вновь привело к исследованию технической возможности и экономической эффективности использова­ния энергии малых рек. Теоретический ГЭП малых рек по выработке электроэнергии со­поставим с выработкой электроэнергии всеми ГЭС страны, но ранее в балансе экономических ГЭР не учитывался [6].

В условиях крайне низкой плотности населения, проживающего в горных райо­нах Кузбасса, приемлемым и экономически оправданным может стать использование установок микрогидроэнергетики мощно­стью до 100 кВт в различном исполнении. В середине XX века в нашей стране имелся опыт применения плавучих гидроэнергети­ческих установок, требуемые условия — глу­бины 2-3 м и скорости не менее 1 м/с [5]. В 1980-х гг. эксплуатировались микроГЭС мощностью 0,25-2,8 кВт (до 50 кВт) с рас­ходом воды 18-90 л/с. В странах Восточной Европы, в частности в Чехии, используют­ся передвижные микроГЭС мощностью до 100 кВт [4]. Сопоставление стоимости элек­троэнергии от различных энергоисточников для удаленных населенных пунктов с общим энергопотреблением 50 кВт • ч/сут. пока­зало, что использование микроГЭС значи­тельно более эффективно 0,22 $иЯ/(кВт • ч), чем ветровых установок 0,50 $иЯ/(кВт • ч), дизель-генераторов 0,80 $иЯ/(кВт • ч), ЛЭП 1,05 $иЯ/(кВт • ч) и солнечных батарей 1,35 $иЯ/(кВт • ч) [1].

Общая схема оценки гидроэнергетическо­го потенциала рек Кузбасса.
1. Исследование факторов, определяю­щих ГЭП.
2. Описание условий, благоприятствую­щих использованию ГЭП.
3. Выявление препятствий при освоении гидроэнергетических ресурсов.

Общий объем поверхностного стока рек Кемеровской области составляет 40,3 км3/год. Основная его масса — 37,4 км3 — формирует­ся в пределах территории области, а 2,9 км3 — за счет притока из соседних областей и краев. Водность рек, показатели ГЭП сильно меня­ются на реках области по сезонам и месяцам.
Густота речной сети зависит от орографии и климата. Наиболее развита гидрографиче­ская сеть в верхней горной части водосбора р. Томи, где расположены крупные прито­ки Томи: Уса, Мрас-Су, Кондома, Верхняя, Средняя и Нижняя Терсь, Тайдон и др. Ко­эффициент густоты речной сети в бассейне Томи равен 0,8 км/км2. Общая протяжен­ность притоков составляет 9,3 тыс. км, из них 40 имеют длину свыше 30 км каждая.

Реки берут начало в Кузнецком Алатау и Горной Шории, текут с юга на север, яв­ляются типичными горными водотоками с порожистым и валунистым руслом. Глуби­на вреза русел крупных рек 120-200 м, ма­лых — 40-70 м. Русла рек устойчивые, сла­боизвилистые. Русловой процесс развивается как немеандрирующее русло и ограниченное меандрирование. На среднем участке р. Томь сохраняет горный характер, но притоки рез­ко отличаются от горной части строением русла, характером течения и ледовым режи­мом. Скорости становятся слабее, в устье­вых участках реки приобретают равнинный характер. Выйдя на Западно-Сибирскую равнину, Томь носит типичный равнинный облик. Средняя скорость течения на пле­сах — 0,38 м/с, на перекатах — 1,75 м/с.

По характеру водного режима реки Куз­басса относят к алтайскому типу рек с весен­ним (р. Ускат — Красулино и р. Лебяжья — с. Безменово) и весенне-летним половодьем, и паводками в теплое время года. Сток весен­него половодья составляет 65-90 % годового, летне-осенней межени — от 5 до 25 %, на зим­ний сток приходится не более 10 % от годо­вого. Максимальные расходы и уровни воды отмечаются в половодье. Залесенность бас­сейнов рек меняется от 60 до 95 % площади.

Начало половодья приходится на конец апреля — начало мая, продвигаясь с юга на север. Продолжительность половодья 30­90 дней. Основным источником питания рек в период половодья являются твердые осад­ки, формирующие 55-75 % годового стока.
После половодья устанавливается летне- осенняя межень, часто нарушаемая дождевы­ми паводками. Начало сезона в засушливых районах, в июне — июле, а в увлажненных — позднее. Продолжительность летне-осенней межени от 150 до 90 суток, доля стока меже­ни в объеме от годового 5-35 %, наименьшие расходы отмечаются в августе — сентябре.

Величина подземного притока составляет от 2 до 10 % от годового стока. Зимняя ме­жень устанавливается в середине или конце ноября — начале декабря и продолжается до начала подъема половодья. Водный режим тесно связан с ледовым режимом грунтовых вод. Период зимней межени от 160 до 190 су­ток. Доля зимнего стока в годовом объеме меняется от 3 до 10 %. Наименьшие расходы воды наблюдаются в конце зимней межени.

Средний многолетний модуль стока q л/(с • км2) уменьшается с юга на север об­ласти от 20 до 5 л/(с • км2), и с востока на за­пад от 40 до 5 л/(с • км2). Колебания стока носят циклический характер с преобладани­ем циклов 10-12-летней продолжительно­сти. Коэффициенты вариации стока умень­шаются с севера на юг и с запада на восток от 0,50 до 0,15. Для большинства рек бассей­на р. Томи максимальный сток наблюдается в апреле, на некоторых реках (р. Мрас-Су), мае. Практически на всех реках, увеличива­ется сток в октябре-ноябре, что связано с вы­падением дождей [2].

Возможности создания и/или использова­ния имеющегося геометрического напора воды (Н) для выработки энергии зависят от перепа­дов высот, то есть рельефа местности, опреде­ляющего продольные уклоны рек на разных их участках. Реки Западно-Сибирской равни­ны в ряде случаев прокладывают свои русла в сравнительно легко размываемых рыхлых грунтах [7] и имеют изломанную форму про­дольного профиля за счет расчлененности ре­льефа и выпуклости, приурочены к участкам, пересечения рекой поднимающиеся тектони­ческие структуры [3].

Анализ значений уклонов для периодов ледостава, пика половодья и летне-осенней межени за многоводные 1966 и 1969 гг. и за маловодный 1967 г. показал, что для рек бас­сейна р. Томи характерным является высокое значение уклонов водной поверхности во все фазы водного режима, независимо от водно­сти года [10]. На спаде половодья уклоны существенно снижаются, оставаясь при этом достаточно высокими. Для ряда рек в зимнюю и летне-осеннюю межени уклоны достигают максимальных значений, превышая уклоны многоводного сезона до 1,5 раз. В межень на перекатах уклоны водной поверхности до­стигают максимальных значений, увеличи­вая скорости воды. В половодье перекаты перекрываются толстым слоем воды, уклоны водной поверхности по длине участка реки выравниваются и становятся ниже межен­ных. Резкое увеличение средней глубины по­тока в половодье частично компенсируется уменьшением уклонов, что приводит к зна­чительному росту средних и максимальных скоростей речного потока. Подобный внутри- годовой режим уклонов водной поверхности, наличие вертикальной и горизонтальной рас­члененности речных долин являются благо­приятными факторами для применения дери­вационных ГЭС и микрогидроэнергетических установок.

Наивысших значений средние и макси­мальные скорости воды достигают в полово­дье и могут составлять 3,5-4,2 м/с. В летне- осеннюю межень скорости воды существенно снижаются до 0,5-0,9 м/с. При этом макси­мальные скорости в 1,3-1,5 раза превышают средние скорости.

Сток донных (влекомых) наносов состав­ляют около 10-30 % от стока взвешенных. По оценкам Ю. И. Каменскова [8] р. Томь у Томска переносит за год не более 200 тыс. м3 донных наносов, что составляет около 15 % от стока взвешенных наносов в указанном створе. Наличие наносов в речном потоке приводит к быстрому истиранию лопаток тур­бин гидроэнергетических установок, что не­обходимо учитывать при определении перио­да эксплуатации ГЭС.

Фактором, определяющим запас кинети­ческой энергии потока воды, является сред­няя скорость реки:
3, = f, 2 g
где Эк - удельная кинетическая энергия, при­надлежащая единице массы жидкости.