Состояние водохранилищ и гидроузлов

Водохранилища и малые водоемы распределены по территории Свердловской области в соответствии с целями и задачами водопользования.

Наиболее крупными, объемом более 100 млн м³, являются Белоярское, Верх-Нейвинское, Леневское, Рефтинское, Черноисточинское, Аятское, Ново-Мариинское, 33 водохранилища имеют объем от 10 до 100 млн м³, 84 – объем от 1 до 10 млн м3, 286 объем от 0,1 до 1 млн м³.

Водохранилища объемом более 1,0 млн м³ предназначены для следующих нужд:

– промышленного, в том числе технического водоснабжения – 61 (из них для хозяйственно-питьевого – 28);

– хозяйственно-бытового использования в сельской местности 41;

– рыбохозяйственного – 15.

Остальные водоемы (293) объемом от 0,1 до 1,0 млн м³ имеют культурно-бытовое назначение.

Большинство водохранилищ осуществляют сезонное регулирование речного стока.

По административным территориям и по бассейнам рек водохранилища размещены неравномерно. Наибольшее их количество сосредоточено в районах с развитым промышленным производством и недостаточным стоком рек: Пригородном (34), Сысертском (21), Алапаевском (19), Невьянском (17), Байкаловском (15), Белоярском (14), Красноуфимском (12), Артинском (22).

Высокая степень зарегулированности отмечается в бассейнах рек Зауралья, особенно в верховьях Исети, Пышмы, Нейвы, Тагила, Туры. Менее всего зарегулированы реки Северного Зауралья. Бассейны Чусовой, Тагила, Нейвы, Пышмы и Уфы зарегулированы в основном в верховьях.

По отношению к стоку Тобола зарегулированность составляет 14 %, к стоку Уфы и Чусовой – 4 %. Бытовой (естественный) режим сохранился лишь на реке Тавде и в нижнем течении р. Туры (от Верхотурья)

В настоящее время подавляющее большинство водохранилищ относятся к объектам промышленного и условно сельского хозяйственно-бытового назначения. Промышленные гидроузлы обеспечивают техническое водоснабжение предприятий, являются постоянно необходимыми для производственного процесса, поэтому они содержатся в работоспособном и исправном состоянии, своевременно ремонтируются, восстанавливаются и эксплуатируются в соответствии с правилами безопасности ГТС. Остальные гидроузлы в меньшей степени используются для хозяйственных нужд, так как орошение в большинстве районов практически прекратилось или стало нерегулярным. Для бытовых нужд в сельской местности и питьевого водоснабжения используются водоемы, находящиеся в пределах населенного пункта. Кроме того, эти водоемы осуществляют подъем подземных вод к колодцам и скважинам питьевого назначения, способствуя нормальной работе. Также они служат для противопожарных целей, водопоя скота, разведения водоплавающей птицы, для рекреации и облагораживания ландшафта.

В составе гидроузлов, осуществляющих регулирование режима рек, основными являются гидротехнические сооружения (ГТС), к ним относятся земляные плотины, водосбросные и водовыпускные сооружения, каналы, защитные дамбы, водоподъемные насосные станции и др. По результатам инвентаризации и обследования на 01.01.02 установлено, что все перечисленные ГТС имеют следующие характеристики:

– высота земляных плотин варьируется в пределах до 15 м, преобладают низконапорные сооружения от 3,0 до 9,0 м; в качестве материала тела плотин используются местные грунты: суглинки, каменно-грунтовые смеси, каменные наброски; заложение откосов в зависимости от материала выполнено в соответствии со СНиП; крепление верхового откоса, как правило, выполнено каменной наброской, реже железобетонными плитами, низового – посевом многолетних трав;

– водосбросные и водопропускные сооружения в основном регулируемые (с затворами) с широким порогом, а также автоматические, типа канал-быстроток и др.;

гидроузлы обеспечивают сезонное регулирование стока для нужд водопользователей и пропуск расходов в период половодий и паводков; преобладают сбросные расходы через сооружения в пределах 30 – 150 м³/с, водовыпускные устройства выполнены в виде трубчатых водовыпусков с гидравлическими затворами или задвижками;

– объемы регулируемого стока водохранилищами III – IV классов варьируются в пределах 0,3 – 10 млн м³, причем заполнение водохранилищ преимущественно происходит в период весеннего половодья, после чего сработка полезного объема обеспечивает нужды водопользователей до следующего паводка; все объемы воды, поступающие летом от ливневых паводков, в основном сбрасываются в нижний бьеф (НБ). Это осуществляется за счет управления затворами или за счет автоматических водосбросных устройств; нарушение этого режима может приводить к переполнению водохранилища и к авариям.

До 1960 г. в Свердловской области было создано 70 водохранилищ объемом более 1 млн м³ в 1961 – 970 гг. – 16, в 1971 – 1980 г. – 8, в 1981 – 1990 гг. – 26, в 1991 – 2000 гг. – ни одного. Таким образом, фонд ГТС является достаточно изношенным.

Гидротехнические сооружения области, согласно СНиП, для соответствующих периодов проектирования и строительства обеспечивают заложенный в проектах пропуск сбросных расходов обеспеченностью 3 и 5 % для III – IV классов капитальности. В настоящее время требования к пропускной способности водосбросов изменились и соответственно составляют для поверочного расчета 0,5 и 1 %. Выбор величины расчетного расхода определяется ГОСТом и требует анализа гидрологии речных бассейнов области.

В Уральском регионе водообеспечение производственных и коммунальных структур почти полностью ориентировано на регулирование речного стока водохранилищами. Обеспечение безопасного состояния и эксплуатации гидроузлов является особенно актуальным, так как прорыв плотин и аварии ГТС приводят к потере водоисточника и возникновению проблем с водоснабжением населения и предприятий. Не менее важным является предотвращение тяжелых последствий аварий ГТС (так, при прорыве Киселевской плотины близ г. Серова погибли люди и был нанесен большой материальный ущерб). Начиная с 1997 г. в Свердловской области проводится планомерная работа по инвентаризации гидроузлов, выявляются аварийные и предаварийные объекты. В 2003 г. разработана целевая программа по обеспечению безопасного состояния и эксплуатации гидроузлов. Основная ее цель – коренное улучшение технического состояния гидроузлов, плотин и водосбросов, при котором исключается возможность аварий и обеспечивается устойчивое водоснабжение населения, производственных объектов, сельского хозяйства. В ее реализации задействованы исследовательские и проектные организации, в том числе Главное управление по делам ГО и ЧС Свердловской области.

Предварительный анализ состояния гидротехнических сооружений, материалов их обследования и произошедших аварий показывает, что проблеме безопасности все предыдущие годы не уделялось достаточного внимания. Водохранилищный фонд области стремительно стареет, вероятность аварий на гидроузлах ежегодно возрастает на 10 – 15 %, а затраты на ремонт и содержанке этих ГТС непрерывно уменьшаются, хотя поддержание ГТС в рабочем состоянии обходится значительно дешевле, чем их восстановление после аварии.

Средний возраст гидротехнических сооружений составляет несколько десятков лет, однако имеются и такие, которые построены еще сто лет назад. Многие объекты уже реконструированы: деревянные конструкции заменены на бетонные, деревянные затворы – на металлические, усовершенствованы подъемные механизмы. Однако в целом по Свердловской области модернизация ГТС осуществляется медленными темпами. Это объясняется главным образом тем, что сами объекты потеряли то актуальное значение, которое они имели в прошлом, каждое водохранилище было создано для определенных нужд: производственного водоснабжения, мелиоративного, рыбохозяйственного, энергетического назначения и т. п., но сегодня многие из них утратили свое первоначальное значение в связи с изменением структуры экономики и социальной направленности. Некоторые из этих объектов без особого ущерба могут быть просто ликвидированы, но это всегда вызывает протесты населения, особенно в сельской местности, где с водоемом связана поселковая планировка, где они используются в противопожарных целях, а летом – для рекреации и т. п.

Отношение к гидроузлам производственного назначения остается более серьезным: на них имеется эксплуатационный персонал, они своевременно ремонтируются, их техническое состояние регулярно проверяется.

Как показывают итоги инвентаризации гидроузлов Свердловской области, основные нарушения их конструкции, приводящие в том числе и к аварийному состоянию, возникли в связи с тем, что своевременно не производился текущий ремонт. Такие аварийные ситуации могут быть отнесены к «запланированным», а не к случайным, когда необходимо выявить какие-либо технические просчеты, ошибки в проектах, недостатки в изысканиях и т. п.

Наиболее часто происходит разрушение водосбросного сооружения вследствие превышения расчетного расхода, на пропуск которого они и не рассчитывались (например, для IV класса расход превышает 1 %-ную обеспеченность). Создают угрозу аварийной ситуации и неудовлетворительно работающие затворы на водосбросах. Они могут заклиниваться в пазовых конструкциях вследствие перекоса, появления ржавчины или отказа подъемных механизмов. Последствия могут быть очень существенными, так как происходит превышение максимального форсированного подпорного уровня, что вызывает перелив воды через земляную плотину и в дальнейшем ее прорыв.

Серьезную опасность представляют подмывы водосбросного сооружения, начинающиеся со стороны нижнего бьефа (НБ). Иногда вследствие подмыва плита флютбета повисает над образующейся воронкой, что угрожает прорывом воды под сооружением.

Часто фильтрация вдоль контура бетонного сооружения вызывает вынос грунта и создает промыв на границе бетонного сооружения с телом земляной плотины. Это, как правило, обусловлено высокими градиентами фильтрационного давления, недостаточной плотностью грунта засыпки или промораживанием и последующим вспучиванием приконтактной зоны. Бывают и такие ситуации, как оползание верхового и низового откосов плотины, образование в теле земляной плотины трещин, просадок, но все эти нарушения – лишь предшественники аварии ГТС, они достаточно просто обнаруживаются и при своевременном устранении не представляют опасности.

Характерна для Уральского региона и возможность каскадных аварий плотин, когда прорыв плотин происходит сверху вниз по водотоку. Прорыв самой верхней плотины приводит к внезапному переполнению нижележащего водоема и т. д., до конца участка регулирования реки.

Недостаточно умелые действия либо отсутствие эксплуатационного персонала на гидроузлах в критических ситуациях может также привести к аварийным последствиям. Наиболее частые ошибки в этом случае – неправильное управление затворами, отсутствие аварийного запаса материалов, неверная оценка гидрологической обстановки и др. На ряде водохранилищ поддерживается непроектный уровень воды (ниже НПУ), занижается регулирующая способность гидроузла, что может привести к возникновению дефицита водообеспечения. Такова практическая сторона проблемы безопасности гидротехнических сооружений.

Научные аспекты обеспечения безопасности ГТС развиваются давно, но лишь в последние пять лет этому уделяется особенно большое внимание в связи с усугублением последствий аварий и необходимостью дать реальную экономическую оценку ущерба. Надежность работы гидротехнического сооружения определяется критериями безопасности, а они, в свою очередь, зависят от оценки предельного состояния сооружения, т. е. способности воспринимать нагрузки. В тех случаях, когда нагрузка превышает сопротивление – возникает авария. Только по приблизительным оценкам, число критериев безопасности приближается к двум десяткам, причем для разных элементов гидроузла их весовая оценка существенно различается. В целом безопасность гидроузла обеспечивается состоянием трех достаточно разнородных элементов: земляных сооружений, бетонных и металлических конструкций. Каждый из элементов обладает своим набором критериев, значение которых изменяется во времени, что обусловлено в основном изменением качества материалов сооружения, схемы его загрузки, состояния основания и т. п.

Основной проблемой вычисления критериев безопасности ГТС этого типа является получение исходных данных для расчета прочностных характеристик – бетона, грунта, металла, а самое главное – сопротивляемости основания ГТС как самого недоступного элемента. От состояния основания зависят практически все оценки безопасности ГТС. Довольно трудоемка и оценка состояния противофильтрационного контура, т. е. положения поверхности депрессии в земляной плотине, примыканиях к берегам и на контакте с бетонными конструкциями. В основном для получения таких исходных данных применяется бурение тела земляной плотины, устройство наблюдательных скважин за уровнем воды, производятся электрофизические методы разведки, отбор образцов бетона грунта и определение их физических свойств. Все эти работы достаточно трудоемки и дорогостоящи, т. е. неприменимы для большинства объектов, исследуемых с целью обеспечения их безопасности.

Довольно большое число ГТС построено до 1960 г. в соответствии с расчетами, опиравшимися на теорию «коэффициентов запаса». По некоторым оценкам, они могут обладать приблизительно равной сопротивляемостью нагрузкам, однако разрушение их при аварии происходило не в соответствии со сценариями предельного состояния. В связи с этим представляется, что основные положения теории предельного состояния удобны для проектирования вновь планируемых ГТС. Для оценки безопасности очень старых объектов требуется, по-видимому, другой подход, отличный от принятого двухуровневого принципа. Кроме того, некоторые расчеты по этой методике показывают, что сооружение уже в настоящее время должно перейти за пределы критического состояния, а практически этого не происходит. Вероятно, это объясняется слишком упрощенными расчетными схемами. Фактически разрушение сооружений во многих случаях происходит по своим сценариям, и это в значительной степени объяснимо пространственным распределением нагрузок и сил сопротивления в элементах ГТС. Пространственное действие сил и напряжений в элементах гидротехнических сооружений также требует разработки в связи с оценкой их безопасности, для чего необходим и пересмотр расчетных схем уже известных методов.

Проблематична в настоящее время и оценка безопасности ГТС в соответствии с теорией надежности. Для обоснованного выбора оценок риска аварий необходима статистика всех аварийных ситуаций на ГТС каждого региона и отбор статистически обоснованных случаев. Такой статистики по ГТС Ш и IV классах капитальности практически нет ни в одном регионе Российской Федерации. Проблематичной является и оценка страхования ГТС в целях возмещения возможного ущерба, поскольку для разных регионов это требует различного методического подхода, учета экологического нарушения и др.

Гидротехнические сооружения на водохранилищах и реках это главное средство управления речным стоком, и от их надежности зависит безопасность хозяйственных структур и окружающей природной среды, находящейся в зоне действия ГТС. В Свердловской области представлены все виды ГТС, подлежащие надзору за безопасностью: плотины, накопители отходов, защитные дамбы, каналы и др.

Состояние ГТС наиболее квалифицированно контролируется для гидроузлов энергетического назначения и для накопителей, связанных с непрерывными технологическими процессами и менее всего для водохранилищных гидроузлов общего пользования в сельской местности. Последнее место занимают объекты, создающие непредсказуемые и внезапные аварийные ситуации, их количество по состоянию на начало 2002 г., определенное департаментом природных ресурсов по Уральскому региону, составляет 146 объектов. Это водохранилищные в основном гидроузлы с объемом водохранилищ (прудов) от 0,1 до 1,0 млн м³.

По районам Свердловской области выполнен анализ водохранилищ (прудов), расположенных на территории муниципальных образований, который позволил установить общее количество ГТС, в том числе работоспособных, неработоспособных (аварийных) и расположенных на ликвидированных водоемах. По данным департамента природных ресурсов по Уральскому региону, в работоспособном состоянии находятся 265 объектов, в неработоспособном – 140 объекта, ликвидированы по разным причинам – 11. Департаментом неработоспособными признаны сооружения, имеющие недостаточную пропускную способность по отношению к расчетному расходу (140 объектов), а также те, для которых характерно предельное состояние водосбросов или грунтовой плотины. Однако натурное обследование гидроузлов Пригородного, Алапаевского, Артинского, Невьянского и других районов и гидравлические расчеты пропускной способности показывают, что ряд гидроузлов может быть выведен из категории аварийных.

Пропускная способность водосбросов, отличающаяся от расчетной по гидрологическим характеристикам менее чем на 10 – 20 %, может считаться достаточной с учетом кратковременного повышения форсированного уровня (несколько часов) для пропуска пика максимального расхода. Кроме того, при оценке пропускной способности максимальных расходов не везде правильно выполнены гидравлические расчеты и учтена трансформация стока.