Гідроелектростанції : їх різновиди та принцип роботи

В останні десятиліття  при підготовці ложа водоймищ передбачається зняття родючого шару ґрунтів, що дозволяє зберегти ґрунти як найцінніший природний  ресурс і використовувати їх для  поліпшення малопродуктивних земель на прилеглих територіях і в такий  спосіб частково компенсувати втрату затоплених водосховищем.

В Україні при підготовці ложа Олександрівського водосховища  на р. Південний Буг (нижньої водойми  Ташлицької ГАЕС) знятий родючий шар  був нанесений на малопродуктивні  землі на площі 1,4 тис. га, при підготовці ложа водоймищ Дністровської ГАЕС знятий родючий шар був використаний для поліпшення малопродуктивних земель на площі близько 0,9 тис. га.

Відчуження земель під  водосховища ГАЕС значно менше завдяки  великим напорам, високому добовому спрацюванню водосховищ, використанню часто в якості нижнього водоймища  вже існуючих водоймищ. Так, у споруджуваній  Дністровській ГАЕС (Україна) потужністю 2,27 млн. кВт площа верхнього водосховища  становить 2,5 км2, а як нижнє використовується існуюче водоймище Дністровської  буферної ГЕС-2 площею 10,5 км2. На цій  ГАЕС питомий показник затоплення земель верхнім водосховищем становить 0,12 га/мВт, на експлуатованій Київській  ГАЕС потужністю 235 мВт – 0,3 га/мВт, на ГАЕС Goldinsthal (Німеччина) – 0,16 га/мВт.

На всіх етапах проектування при виборі схеми каскаду ГЕС, обґрунтуванні основних параметрів водоймищ і ГЕС (НПР, РМО, встановленої потужності й вироблення ГЕС електроенергії й ін.), захисних споруд одним з  найважливіших завдань є зменшення  площі відчужуваних земель і в  першу чергу площі затоплення водосховищем.

Підтоплення земель, що прилягають до водосховища, викликається підйомом рівня ґрунтових вод при заповненні водосховища до НПР. Слід зазначити, що підтоплення має місце також  у природних умовах при підвищенні рівня рік у періоди проходження  паводків. Основний збиток від підтоплення земель і в цілому від зміни режиму ґрунтових вод пов'язаний з можливістю заболочування територій, зміною властивостей ґрунтів, рослинного й тваринного світу.

Залежно від висоти підтоплення (залягання рівня ґрунтових вод  від поверхні землі), трансформації  ґрунтів і рослинності виділяють  підзони сильного, помірного й  слабкого підтоплення, вплив яких на прибережні екосистеми, ґрунтові умови, лісові й сільськогосподарські угіддя неоднозначний й визначається природними особливостями району. Залягання  рівня ґрунтових вод від поверхні землі орієнтовно може становити  в підзоні сильного підтоплення 0–1,2 м, помірного – до 2 м, слабкого – до 3,0 м. При підтопленні земля, як правило (крім зони сильного підтоплення), не підлягає відчуженню й триває її використання. Загальна площа підтоплення земель рівнинними водосховищами залежно від природних умов може становити 3–15% площі затоплення, наприклад на Кременчуцькому водосховищі – 12 % площі затоплення.

Для захисту території  й зниження шкоди від підтоплення, особливо в зоні сильного підтоплення, основними заходами є влаштування  дренажних систем, що забезпечують зниження рівня ґрунтових вод, і  штучне підвищення поверхні території. Так, штучне підвищення шляхом намиву піщаних ґрунтів для створення  площ під забудову широко застосовувалося  на водоймищах Дніпровського каскаду  ГЕС. У такий спосіб була організована велика територія для нових кварталів  м. Києва на лівому пологому березі р. Дніпро.

Переформування берегів  водоймища. При утворенні водоймищ в результаті зміни рівнів, фільтраційного режиму, хвильових та інших впливів  йде процес переформування берегів, що особливо інтенсивно протікає в  перші роки після заповнення водоймища. Величина переробки берегів суттєво  залежить від геологічної будови берегової зони: мінімальна при скельних ґрунтах, вона значно зростає при  м'яких ґрунтах і може досягати 1–2% площі затоплення. Для зменшення  переробки берегів і втрат  землі, благоустрою берегової зони по контуру водоймища на несприятливих  ділянках виконуються різні типи кріплень, включаючи залізобетонні, з каменю, біологічні й ін. У ряді випадків захист берега від переробки забезпечується шляхом намиву до берегового схилу піщаного насипу з пологим укосом і біологічним кріпленням. На водоймищах Дніпровського каскаду ГЕС захист від переробки берегової зони виконано на багатьох ділянках сільськогосподарських і лісових угідь, населених пунктів, зон відпочинку й ін. У період експлуатації було побудовано додатково близько 80 км берегозахисних споруд. На нижньому водоймищі Дністровської ГАЕС у зв'язку зі складними інженерно-геологічними умовами для недопущення переробки берегів при щодобових коливаннях рівня до 9,5 м кріплення виконані по всьому береговому контуру .

У несприятливих інженерно-геологічних  умовах створення водоймищ, особливо в гірських районах, може призвести  до обвалення берегових масивів  і аварійної ситуації. Для недопущення  обвалень повинні виконуватися відповідні інженерні заходи щодо закріплення  цих масивів.

Зміна рослинного й тваринного світу. Утворення водоймищ, викликаючи зміни природних умов, чинить істотний вплив на рослинний і тваринний світ у їх зоні й на прилеглих територіях, може призвести до скорочення біологічної різноманітності, враховуючи, що більша частина видів віддають перевагу заплавній і нижній частині долин. У межах затоплених водоймищем територій гине існуюча раніше рослинність, а на прилягаючих територіях у зоні підтоплення трансформується ґрунтовий покрив і міняються умови виростання рослин. Це може призвести до втрати рідких і зникаючих видів.

Негативний вплив утворення  водоймищ на тваринний світ пов'язане  із загибеллю тварин, зміною умов їх проживання, порушенням традиційних  шляхів міграції починаючи з періоду  будівництва, підготовки ложа водоймища, первісного заповнення водоймища й  наступної його експлуатації зі змінним  рівневим режимом. Значна шкода завдається популяціям тварин особливо в період заповнення водоймищ, багато з них погано пристосовуються після його заповнення до нових умов проживання в прибережній зоні, що призводить до зменшення чисельності їх популяцій.

У цілому при розміщенні водоймищ у гірських і передгірних  районах збиток наземним екосистемам  значно менша, ніж при розміщенні на рівнинних територіях.

Для поліпшення умов проживання, мінімізації негативного впливу на рослинний і тваринний світ наземних екосистем застосовуються природоохоронні й компенсаційні  заходи, значна частина яких має  комплексний характер і включає:

• Створення нових компенсуючих заповідних об'єктів на територіях, подібних за еколого-фітоценотичними  параметрами із затоплюваними водоймищем, або розширення існуючих заповідних об'єктів. Проблема формування природно-заповідного  фонду вимагає особливої уваги, тому що необхідно забезпечити збереження, відновлення різноманітності всіх рівнів організації живого, ландшафтів, генофондів, рослинного й тваринного світу.

• Інженерний захист найцінніших  у природоохоронному відношенні природних комплексів.

• Забезпечення інтродукції  окремих раритетних видів рослин зі створенням у ботанічних садах  ділянок по їх культивуванню, переселенням раритетних видів рослин із зони затоплення в подібні умови заповідних територій 

• Виконання природо відновлювальних робіт (відтворення лугів, лісозахисних смуг і ін.).

• Вилов і переселення  тварин із зони затоплення в період будівництва й заповнення водоймища

• Забезпечення умов для  проживання тварин на прилеглих територіях, у тому числі для розведення навколоводних  тварин (бобра, ондатри й ін.), створення  мисливських господарств.

• Забезпечення сприятливих  умов для проживання птахів.

Важливою стороною взаємодії  різних видів тварин з екосистемою  водоймищ є їх участь у трансформації  первинної продукції. З усієї  різноманітності тваринного світу  ключовими для екосистеми водоймищ є групи водоплавних і навколоводних  птахів, а також наволоводні тварини, найбільш численні на Дніпровському каскаді ГЕС. Так, на Київському водоймищі за спостереженнями в 1977 р. кількість ондатри досягала 80–90 тис. особин, і ними було вилучено близько 80–90 тис. т рогози, очерету й ін., виростаючи на мілководді, що склало близько 30% усіх рослинних ресурсів. На таких ділянках мілководь, звільнених ондатрами й бобрами від жорсткої водної рослинності, збільшується щільність зоопланктону, що сприятливо позначається на кормових умовах проживання риб, поліпшуються умови аерації мілководь.

При створенні водоймищ зміна  сформованих природних умов, регулювання  стоку, зміна хімічного складу, температурного й газового режимів, режиму наносів  й ін. чинять істотний вплив на водні  екосистеми у водоймищах, нижньому б'єфі й гирлах рік.

Комплекс основних природоохоронних і компенсаційних заходів, спрямованих  на зниження негативного впливу створення  водоймищ на тваринний світ водних екосистем, включає:

• режим експлуатації й  попусків у нижній б'єф, що забезпечують сприятливі умови, для водних екосистем;

• збереження популяцій  і угруповань гідробіонтів, що жили раніше у водоймі;

• збагачення фауни за рахунок  видів, пристосованих до існування  у наново створеному водоймищі;

• запобігання забрудненню  водного середовища;

• збереження незарегульованих ділянок ріки, створення спеціальних  біотопів, мікрозаповідників для  рідкісних і зникаючих видів.

У певних природних умовах, особливо в посушливих регіонах, зонах  напівпустель і пустель після  будівництва водоймищ значно поліпшуються умови проживання, що сприяє збагаченню тваринного світу, зокрема ссавців  і птахів. Гідровузли в пониззі рік, перепиняючи шлях до нерестовищ, створюють несприятливі умови для прохідних і напівпрохідних риб, що є одним із серйозних негативних факторів їх впливу на екосистему. Для зниження несприятливих впливів до складу таких гідровузлів включають рибоходи, будуються риборозплідні господарства й ін.

Замулення водоймищ викликається відкладенням у них наносів з  річковою водою, переробкою берегів. Процес замулення залежить від гідрологічних  умов, параметрів водоймища, режимів  експлуатації, фізико-механічних властивостей наносів. Комплекс заходів щодо зменшення  замулення водоймищ включає виконання  протиерозійних заходів на площі  водозбору (відновлення й охорону  лісів, збереження лугів й ін.) і  в межах водоохоронної зони водоймища, інженерних заходів зі зменшення  переробки берегів, запобігання  обваленню берегів, зсувним процесам, видалення наносів з водоймища, в основному шляхом промивання через  спеціальні глибинні отвори в греблях.

Можливість втрати археологічних та історичних пам'ятників на території, затоплюваній водоймищами, і в зоні переробки берегів є одним з негативних факторів їх створення. Для збереження історичних пам'ятників у ряді випадків застосовується інженерний захист територій, де перебувають пам'ятники, або окремих пам'ятників від затоплення, підтоплення, розмиву. Так, захисна дамба довжиною 30 км на лівому березі Канівського водоймища, захистивши велику територію, дозволила зберегти також пам'ятники археології на цій ділянці. Усі роботи з вивчення, збереження пам'ятників повинні бути проведені в повному обсязі до заповнення водоймища.

Під час експлуатації водоймища  необхідний постійний контроль археологічних  служб із метою виявлення, дослідження  й у необхідних випадках захисту  раніше невідомих пам'ятників археології, які проявляються в результаті переробки  й розмивів берегової зони.

Висновок

Гідроенергетика посідає  відносно незначне місце і електроенергетиці  України – близько 9 % потужностей  і 4 % виробництва енергії.

При правильному проектуванні ГЕС дають найдешевшу енергію. Однак, якщо вони споруджені на рівнинних  річках , і водосховища затоплюють великі площі, то втрати від затоплення родючих земель і поселень можуть значно перевищувати вартість виробленої енергії. Для більшості ГЕС на Дніпрі характерна саме така ситуація. Це стосується Київської, Канівської, Кременчуцької, Дніпродержинської  та Каховської ГЕС, які разом мають  меншу потужність ніж Бурштинська  ДРЕС. До великих ГЕС можна віднести також Дністровську і Теребле-Ріцьку. Всі гідроелектростанції використовуються, в основному, як пікові, тобто включаються  у роботу в період найбільшого  споживання енергії, а на ніч можуть відключатися. Щоб краще використати  гідроенергію поблизу ГЕС будують  інколи ГАЕС (гідроакумуляційні електростанції).

Основний обсяг виробництва  електроенергії дають дніпровські  станції. Це – Дніпрогес, Кременчуцька, Каховська, Дніпродзержинська, Канівська  і Київська. Серед інших потужних електростанцій можна назвати Дністровську ГЕС-ГАЕС, Теребле-Ріцьку (Закарпатська обл.) та ін. Гідроелектростанції є  одним з найефективніших джерел електроенергії. Переваги ГЕС полягають  у тому , що вони виробляють електроенергію , яка у 5-6 разів дешевша , ніж на ДРЕС , а персоналу , що їх обслуговує , в 15-20 разів менше , ніж на АЕС. Коефіцієнт корисної дії ГЕС становить понад 80%. Однак розміщення їх повністю залежить від природних умов , а виробництво  електроенергії має сезонний характер. Будівництво ГЕС на рівнинних  ріках України завдає значних  матеріальних збитків , оскільки потребує затоплення великих територій, що використовують під водосховища. Найважливіша тенденція  в розвитку електроенергетики - об’єднання електростанцій в енергосистемах , які здійснюють виробництво , транспортування  і розподіл електроенергії між споживачами.

Список використаної літератури

1. Соловей О.І, Лега Ю.Г, Розен В.П та ін. «Нетрадиційні та поновлювальні джерела енергії». – Черкаси: Вид. ЧДТУ, 2007.
2. Шевченко В.І., Півень Л.З. „Енергетика України: який шлях обрати, щоб вижити (незалежне дослідження електроенергетики)” Київ - Видавничий центр "Просвіта" 1999 р.,186 ст.
3. Шидловський А. К. «Енергетичні ресурси та потоки» . – К.: Українські енциклопедичні знання, 2003. – 468 с.
4. "Эффективное энергоиспользование и альтернативная энергетика", под редакцией академика НАН Украины А.К.Шидловского. Киев - Видавництво "Українські енциклопедичні знання" 2000 р.,302
5. Ландау Ю.А. и др. Гидроэнергетика и окружающая среда. – Киев: Либра, 2004.