Стариков Н.П.

КОМПЛЕКСНОЕ ИРРИГАЦИОННО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ, РЕГУЛИРОВАНИЕ СТОКА И ВОДОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ НА МЕЖГОСУДАРСТВЕННОМ УРОВНЕ В АРИДНОЙ ЗОНЕ

Проводившиеся автором исследования, связанные с теорией рационального использования водных ресурсов и оптимального управления режимами работы водохранилищ длительного цикла регулирования применительно к условиям аридной зоны, а также анализ фактического использования действующих водохранилищ Сырдарьинской и Амударьинской водохозяйственных систем за последние 25 лет позволяют сделать ряд обобщений и выводов и рекомендаций по дальнейшему развитию и углублению разрабатываемой темы, сформулированных в следующих, приводимых ниже тезисах.

1."Разработка методики и комплекса программ оптимизации режимов работы сложного каскада водохранилищ аридной зоны с учетом требований гидроэнергетики" в исследуемой теме является по своему характеру научно-практической задачей, ориентированной на достижение главной из целей АСУБ - РЕКИ, - получение максимального продуктивного эффекта от всего водохозяйственного комплекса (ВХК) бассейна. Научно-исследовательский аспект этой проблемной задачи нацелен на разработку правил по обеспечению рационального и устойчивого (в многолетнем плане) режима водоотдачи бассейновой водохозяйственной системы (ВХС) при наличии ряда неопределенностей в исходной информации. Основной предмет исследований темы - оптимизация управления режимом работы каскада водохранилищ комплексного ирригационно-энергетического назначения, как основных функциональных элементов ВХС, призванных приводить в соответствие режим бытового стока рек (формирующе-производящей подсистемы) с требованиями отраслей ВХК (потребляющей подсистемы ВХС).

В современных условиях эксплуатации действующих водохранилищ (при их фиксированных параметрах и конкретизированном расположении по стволу реки в сочетании с ирригационным освоением речного стока, близким к предельному) задача наиболее полного и соответственно рационального использования водных ресурсов (ВР) является главной. Она, в основном, сводится к отысканию такого режима работы, как для отдельно взятых, так и в целом каскада водохранилищ (последовательности и темпов их сработки и наполнения), который при наилучшем удовлетворении требований водопотребителей, во-первых, способствовал бы уменьшению "холостых" (для энергетики) и "внеграфиковых" (для ирригации) сбросов, уменьшению потерь воды на испарение с поверхности водохранилищ и выдерживанию в заданных пределах минерализации воды по стволу реки; во-вторых, способствовал бы максимизации энергетического эффекта от расположенных в бассейне (и не только в составе самих водохранилищных гидроузлов) ГЭС.

Вторым вопросом, который в значительной мере относится к аспекту "рационализации использования (потребления) ВР", решаемому в рамках потребляющей подсистемы, является межотраслевое водораспределение и перераспределение. Для бассейнов Сырдарьи и Амударьи это касается главным образом ирригации и энергетики, а физически этот вопрос решается опять же через режим работы водохранилищ, через распределение функций регулирования в каскаде между ними.

2.  Решение упомянутых выше вопросов связано с учетом большого количества системных факторов и показателей, в числе которых следует отметить:

a)  контролируемый водохранилищами сток, относительную (к норме стока) емкость этих водохранилищ, их командное положение над орошаемыми массивами;

b)   вероятностный характер стока, наличие между отдельными водотоками бассейна асинхронности и асинфазности в режиме, малую достоверность прогнозов стока;

c)   переменность требований отраслей ВХК (по территории и во времени) к объему и режиму водозаборов, связанная с ростом или с внутриотраслевой рационализацией их потребления, и изменений в этой связи в объемах и во времени поступления возвратного стока, что влияет в целом на величину объема и режим фактически регулируемого в бассейне стока;

d)   энергопотенциальность запасов воды и транзитного стока (с учетом напоров как собственной, так и нижележащих, ГЭС) каждого комплексного гидроузла, дефицитность топливного и энергетического балансов района рассматриваемого бассейна; стоимость (замыкающие затраты) топлива, возможности его "складирования" (т.е. затраты по его сезонному хранению) и др.

Кроме упомянутых факторов, еще необходимо отметить, что физически емкость действующих водохранилищ меняется во времени (уменьшается в связи с заилением и переработкой берегов), а ввод новых водохранилищ в период эксплуатации АСУБ (в бассейне Сырдарьи намечается ввод Камбаратинского водохранилища на Нарыне, выше Токтогульского гидроузла, а в Амударьинском – Рогунского на Вахше, выше Нурекского) приводит к перераспределению режимных функций между всеми действующими.

Значительная часть перечисленных показателей сопряжена с неопределенностью, а порой и с недостоверностью исходной информации, и это предопределяет объемность и сложность решения комплекса задач по оптимизации режима работы каскада водохранилищ, а соответственно и его экономико-математической модели (ЭММ).

3.  Напряженность водохозяйственной обстановки в Центральной Азии, а особенно в Сырдарьинской ВХС, существенным образом влияет на режим использования емкостей действующих водохранилищ и, как свидетельствует практика эксплуатации за последние 25 лет, приводит к многочисленным фактам нарушений проектного регламента их работы и отклонениям от эксплуатационных (проектных) параметров. Отклонения сначала (в составе СССР) вызывались межотраслевыми противоречиями в требованиях к режиму водоотдачи между ведомствами водного хозяйства и энергетики, а после распада Союза - в силу ландшафтной специфики бассейна Сырдарьи они превратились в межгосударственные. В частности, нарушались порядок заполнения и ограничений в предельных объемах сработки полезных емкостей водохранилищ и, в первую очередь, Токтогульского, призванного осуществлять компенсирующее многолетнее регулирование стока всей Сырдарьи по ирригационным требованиям. Практиковавшиеся за последние 12 лет повышенные зимние попуски воды из Токтогульского водохранилища в энергетических целях (по инициативе Кыргызстана) были нарушением не просто проектных правил, но даже самих принципов многолетнего регулирования стока: сработка многолетних запасов емкости проводилась в годы повышенной водности (естественный приток был за этот период в целом выше нормы стока), - что чревато значительными ущербами от дефицита воды в сельском хозяйстве (для Узбекистана и Казахстана), а также и в энергетике (Кыргызстана) при наступлении периода маловодья. В предшествующие годы неоднократно практиковалась частичная сработка мертвых объемов водохранилищ в ирригационных целях, которая наносили немалый ущерб энергетике региона (главным образом по каскаду Нижненарынских ГЭС).

4.  Наблюдаемое в Сырдарьинской ВХС превышение водопотребления над проектно обусловленной гарантированной водоотдачей затрудняет заполнение водохранилищ и приводит систему в положение "неустойчивого режима регулирования", когда дефициты воды становятся более частыми и более глубокими. Для устранения этого в практической эксплуатации ВХС требуется введение ограничивающего лимита на водопотребление, а в части разработки ЭММ по оптимальному управлению режимами эксплуатации водохранилищ - включить задачу уточнения гарантированной водоотдачи каскадом водохранилищ в ее структуру, с отражением в ней как технических параметров объектов ВХС, так и складывающейся (на момент расчета) водохозяйственной обстановки в бассейне.

5.  Целевая специфика самого процесса оптимизации регулирования стока для реки аридной зоны на этапе предельного освоения ее ВР заключается в том, чтобы суммарная отдача всей ВХС по безвозвратному водопотреблению, в нормальные по водобалансовой обстановке годы (не дефицитные при сработанных и не избыточные при заполненных до НПУ водохранилищах), строго выдерживалась по величине гарантированных требований (без недодачи и без превышений). Соблюдением этого условия и обеспечивается наиболее полное, а соответственно и рациональное использование ВР.

6.  Наибольшие трудности в оптимизации работы сложного каскада в период эксплуатации представляет обеспечение рационального режима сработки-наполнения водохранилищ на притоках (непосредственно регулирующих только часть стока бассейна основной реки) и используемых в режиме многолетнего компенсирования. К таким объектам в Сырдарьинской ВХС в настоящее время и относится эксплуатируемый Токтогульский гидроузел, сток в створе которого составляет 30% от стока основной реки, т.е. Сырдарьи (11,5 из 37,5 км³/год). В перспективе в таком же режиме могут использоваться Пскемский (бассейн Чирчика) и Рогунский (на Вахше) гидроузлы. Конкретная величина попуска из компенсирующего водохранилища в каждом году должна определяться исходя из складывающегося "текущего" водного баланса всей ВХС (по замыкающему створу основной реки бассейна) при соблюдении, естественно, изложенного выше условия выдерживания режима заданной водоотдачи.

7.  В проектном аспекте на базе ретроспективной (следовательно, детерминированной) информации решение этой задачи, хотя и трудоемко, но не представляет особых сложностей. В оперативно-эксплуатационном же плане ее реализация чрезвычайно затруднена, поскольку требует для контроля срочной (на текущий момент) информации о притоке и попусках в НБ по врем водохранилищам каскада, по всем водозаборам и сбросам в бассейне, включая боковую приточность и оценку поступления возвратных вод (ВВ). Отсутствие должного количества средств контроля за состоянием ВР в ВХС на современном этапе позволяет решать упомянутую задачу лишь весьма приближенно, с использованием для этого проектной статистики (расчетов по ретроспективному ряду лет) по параметрам регулирования для главного водохранилища-компенсатора, таким как стабилизирующий диапазон годовых попусков, ограничение (непревышение) по максимальным проектным значениям одногодовых сработок многолетних запасов регулирующего объема и др. Согласно проектным данным по схеме КИОВР р.Сырдарьи, для Токтогульского водохранилища, где полезная емкость – 14,0 км³, такая одногодовая сработка (в рамках применяемой в практике 90%-ной гарантированной водоотдачи) не должна превышать ~6,0 км³.

8.  В целях снижения непроизводительных потерь стока на испарение с водной поверхности, а также уменьшения “внеграфиковых” сбросов воды при заполненных емкостях водохранилищ, могут быть рекомендованы:

-   применение "высотного" (по отношению к подкомандным массивам орошения) принципа в технологической последовательности цикла "сработки - наполнения" водохранилищ в каскаде (срабатываются первыми емкости нижних, а затем расположенных выше водохранилищ; наполнение должно производиться в обратной последовательности);

-   избежание внутригодового дублирования (наполнение одних при одновременной сработке других) в использовании емкостей водохранилищ каскада. Исключение допустимо в особых случаях и при соответствующем технико-экономическом обосновании, на базе соизмерения межотраслевых эффектов и ущербов (см. ниже, п.10).

Применение указанных принципов затрагивает однако вопрос сезонной продуктивности в отраслях ВХК и требует включения в структуру ЭММ задач по оценке продуктивности теряемого стока, с одной стороны, и нахождение разности в продуктивности между отраслями, с другой, с последующим нахождением общего максимума продуктивности в ВХС в целом за год. Общий комплекс программ по управлению долгосрочным режимом эксплуатации каскада водохранилищ, входящий как составная часть в систему информационно-вычислительного комплекса управления ВХС АСУ бассейна, должен быть ориентирован на достижение одной из главных целей - получение от всего водохозяйственного комплекса ВХС максимального продуктивного эффекта при обеспечении устойчивого многолетнего режима ее функционирования.

9.  Структура комплекса (состав решаемых им задач) должна отражать специфику природных, хозяйственных и технологических условий, присущих водохозяйственным системам аридной зоны, а именно:

-   общую дефицитность ВР (потенциальное превышение возможных к орошению земель над оросительной способностью рек);

-   преобладание в составе водопотребителей ВХК (по объему водозабора) орошаемого земледелия, а среди водопользователей - гидроэнергетики, приводящее к образованию специфичной народнохозяйственной надсистемы - ирригационно-энергетической ВХС (ИЭВХС);

-   нестабильность в процессе развитию ВХС ирригационных требований (большей частью возрастание) по объему и в режиме, приводящая к изменению потребной в водохранилищах емкости для регулирования стока;

-   изменения во времени (уменьшение в результате русловых процессов) полезной емкости водохранилищ, наличие и одновременно непрерывные изменения в объемах поступления ВВ, постоянные изменения в объемах и режиме самого регулируемого бытового стока по стволу реки, приводящие к необходимости проводить в процессе функционирования ВХС регулярную проверку предельных возможностей ее водоотдачи с учетом текущего технического состояния объектов системы.

10.  Нарастание ирригационного водопотребления в динамике приводит к межотраслевому (в первую очередь, между энергетикой и ирригацией) перераспределению водных ресурсов, которое должно проводиться с применением ЭММ соизмерения продуктивности воды в этих отраслях. На базе названной ЭММ выполнены практические расчеты по соизмерению эффективности "чисто" ирригационного и "чисто" энергетического вариантов режима Токтогульского водохранилища, давшие следующие результаты (определялось еще в ценах 1984 г.): эффект сельского хозяйства в ирригационном варианте, обеспечиваемый регулированием стока в ТГУ, но в котором задействовано до 94% расчетных затрат других сельхозпроизводств, по совокупной валовой продукции - 1530…1700 млн. руб., по совокупному чистому доходу (СЧД) - 900…1000 млн. руб., а ущерб в энергетике, связанный с уменьшением зимней выработки Токтогульской ГЭС и с соответствующим перерасходом более дорогого зимнего топлива в энергосистеме, - 17,0…19,0 млн.руб./год. На основе приведенных показателей может быть сделан вывод, что Токтогульский ГУ за соблюдение ирригационного режима (по долевому участию в общих трудозатратах) вправе претендовать на получение из СЧД части до 45…50 млн.руб./год, (но, естественно, не менее величины выше исчисленного ущерба в энергетике).

Принципиальная схема, лежащая в основе названной ЭММ соизмерения, представлена ниже на рисунке.

Принципиальная схема соизмерения эффектов перераспределения зарегулированного стока между сельским хозяйством (орошение) и энергетикой (режим работы ГЭС)

На схеме показаны:

a) годовой (среднемесячных расходов - Q) водохозяйственный баланс ВХС;
b) зависимость гарантированной (зимней) мощности от энергопропуска N_гар = f (Q^эн_гар);
c) то же, годового объема ирригационной водоотдачи W^ир = f (Q_гар);
d) зависимость участия ГЭС в суточном графике энергосистемы (ЭЭС) N”_гэс = f (N_гар);
e) схема изменения участия ГЭС в суточном графике ЭЭС при изменениях ВХБ.

Условные обозначения:

I и II - варианты ВХБ;
Н^гэс - средний напор ГЭС;
Q^эн_мин и Q^эн_макс - ограничивающие пределы расходов воды при "чисто"энергетическом режиме;
Пр.ЭС - прочие электростанции ЭЭС (ГЭС) .

11.  Существенное влияние на режим регулирования и изменения гарантированной водоотдачи по отраслям в ряде случаев может оказывать и водоснабжение. В связи с реконструкцией гидромелиоративных систем, переориентацией регионов в возделывании сельхозкультур, происходят изменения во внутриотраслевой продуктивности оросительной воды, а следовательно и в территориальном водораспределении. Не последнюю роль в этих процессах могут играть рыночные изменения цен или замыкающих оценок на отраслевую (включая топливо) продукцию. Все это приводит к необходимости включения в комплекс специальных групп задач, которые можно объединить под названием "экспертно-оценочные", а именно:

-   уточнение показателей экономических критериев использования водных ресурсов (замыкающих оценок на электроэнергию, сельхозпродукцию, удельной ирригационной и гидроэнергетической продуктивности воды);

-   уточнение межотраслевых лимитов (в частности нижнего предела минимального расхода воды для энергетики) ;

-   уточнение (при распределении) территориальных лимитов водоотдачи (хозяйственно-бытовых и экологических) ;

-   уточнение (по сравнению с проектными данными) суммарной водоотдачи брутто и нетто каскадом водохранилищ ВХС (величины гарантированной водоотдачи).

C учетом всех изложенных выше особенностей ВХС аридной зоны общий оптимизационный комплекс может быть представлен следующим набором (без детализации их отдельных групп) задач (см. таблицу).

Таблица

12.  В части дальнейшей работы над большим оптимизирующим комплексом программ может быть рекомендована следующая очередность выполнения:

1)  По группе задач коррекционно-оптимизирующего плана:

a)  Pазработка методики и программ расчета гарантированной водоотдачи каскадом водохранилищ и в целом ВХС;
b)  Разработка методики и программ расчета отраслевых (для ирригации и гидроэнергетики) и территориальных лимитов использования водных ресурсов бассейна реки.

2)  По группе задач непосредственного планирования режима работы водохранилищ долгосрочного регулирования:

a)  Pазработка методики и программ расчета годовой водоотдачи ВХС (с учетом прогнозов стока и состояния заполненности водохранилищ на начало планирования);
b)  Pазработка методики и программ рационального распределения воды по ВХР с учетом ожидаемой напряженности ВХБ (избыточная, дефицитная или нормальная ситуация по водоотдаче) на планируемый период;
c)  Завершение комплекса задач по расчету рационального годового режима использования водохранилищ каскада.

3)  По группе экспертно-оценочных задач:

a)  Pазработка методики и комплекса программ по расчету замыкающих оценок продуктивности воды в орошаемом земледелии;
b)  Разработка методики и программы расчета экономического эффекта в сельском хозяйстве при ирригационном перераспределении ВР.

Для разработчиков затронутых проблем могут быть небезынтересны уже созданные нами программы для ПЭВМ по трем направлениям:

- Расчет водноэнергетических показателей ГЭС;

- Определение эффектов (ущербов) ГЭС;

- Выбор оптимального варианта водохозяйственного баланса

Эти программы являются составной частью большого оптимизирующего комплекса программ по управлению режимами сложного каскада водохранилищ в ИЭВХС. В этом смысле их можно рассматривать как первый и еще не завершенный этап работы, но который уже может быть использован в практике эксплуатации в сочетании с "ручной" информацией (получаемой либо в процессе ручного счета, либо по аналогам, либо как директивные материалы) по эффективности использования воды в прочих отраслях ВХК, для которых соответствующие программы по оценке экономического эффекта еще не разработаны.

18 февраля. 2004 года

Как с нами связаться

Вернуться на главную страницу