Гидротехнические сооружения и их воздействие на окружающую среду

Введение

Существование людей и состояние среды их обитания во многом зависят от наличия ресурсов пресной воды. В природе водные ресурсы распространены не равномерно как по территории, так и по сезонам года. Рост плотности населения, объемов сельскохозяйственного и промышленного производства приводит к увеличению объемов потребления водных ресурсов. Для использования и управления водными ресурсами, а также для защиты от разрушительного воздействия водных потоков, получило развитие строительство гидротехнических сооружений (далее ГТС) [4].
Актуальность работы состоит в том, что в России насчитывается около 3 млн гидротехнических сооружений – в основном это водохранилища и накопители различного назначения. Более 400 сооружений находятся в аварийном состоянии, вред окружающей среде причиняют и многие действующие гидротехнические сооружения [9].
Цель работы – охарактеризовать гидротехнические сооружения и их воздействие на окружающую природную среду.
Цель работы достигается благодаря выполнению следующих задач:
проанализировать типы гидротехнических сооружений, их роль и функции;
оценить воздействие гидротехнических сооружений на окружающую природную среду;
описать меры предотвращения опасности воздействия гидротехнического сооружения на окружающую среду;
дать характеристику анализа и оценки безопасности гидротехнических сооружений;
охарактеризовать Бурейскую и Нижне-Бурейскую ГЭС и их воздействие на окружающую среду на примере конкретного объекта.
Типы гидротехнических сооружений, их роль и функции
1.1 Понятие термина «гидротехническое сооружение»
Гидротехнические сооружения – сооружения, которые подвергаются влиянию водной среды, и предназначены для использования и охраны водных ресурсов, предупреждения вредного влияния вод. В том числе загрязненных жидкими отходами, включая плотины, здания гидроэлектростанций, водосбросные, водоспуски и водовыпускные сооружения, тоннели, каналы, насосные станции, судоходные шлюзы, судоподъемники; сооружения, предназначенные для защиты от наводнений и разрушений берегов водоемов, берегов и дна русел рек; сооружения (дамбы), которые ограждают золошлакоотвалы и хранилища жидких отходов промышленных и сельскохозяйственных предприятий; устройства от размывов на каналах, сооружения морских нефтегазопромысловом и тому подобное. Гидротехнические сооружения бывают различного назначения и строятся в разнообразных природных условиях [1].
К гидротехническим сооружениям относятся сооружения напорного фронта и естественные плотины (плотины, шлюзы, дамбы, оросительные системы, перемычки, запруды, каналы, ливневая канализация и др.), создающие разницу уровней воды до и после них, предназначенные для использования водных ресурсов, а также для борьбы с вредными воздействиями вод [6].
1.2 Виды гидротехнических сооружений
По роду водотока или водоема, на котором они построены, гидротехнические сооружения разделяют на речные, морские, озерные или прудовые, внутрисистемные или сетевые (на гидротехнических системах) и подземные.
Сетевые мелиоративные сооружения разделяют на регулирующие (регуляторы или шлюзы-регуляторы, водовыпуски, перегораживающие и сбросные вододелители), водопроводяшие (дюкеры, трубы, акведуки, ливнепроводы и пр.) и сопрягающие (перепады, быстротоки и пр.).
По условиям взаимодействия с водотоком или водоемом и по характеру выполняемых функций различают гидротехнические сооружения:
– водоподпорные (плотины, дамбы и др.), которые перегораживают водоток или ограждают водохранилище и воспринимают напор воды. Участок водотока (водоема) выше водоподпорного сооружения называется верхним бьефом, ниже – нижним бьефом. Разница уровней воды в верхнем и нижнем бьефе непосредственно около сооружения называется напором на сооружении;
– водопроводяшие (каналы, трубопроводы, гидротехнические туннели, лотки и др.), служащие для подачи воды к местам потребления, например, из реки на орошаемые земли;
– водозаборные, служащие для забора воды из водотоков и водоемов;
– водосбросные (водосливы, глубинные водосбросы и пр.) – для сброса излишков воды (паводков) и полезных «попусков» в нижний бьеф, для поддержания необходимых санитарных условий в нижнем бьефе, глубин для судоходства и пр.;
– регуляционные (струенаправляющие дамбы, берегоукрепительные сооружения и пр.), предназначенные для регулирования взаимодействия потока с руслом (борьба с размывами и отложениями наносов), защиты берегов от воздействия волн и течений [2].
По целевому назначению гидротехнические сооружения разделяют на сооружения общего назначения и специальные. К сооружениям общего назначения относятся водоподпорные, водопроводящие, водосбросные и регуляционные сооружения, используемые для различных отраслей водного хозяйства и предназначенные для обеспечения требуемого подпора и емкости водохранилища, пропуска предполагаемого паводкового расхода и т.п. К специальным относятся сооружения, предназначенные для нужд одной отрасли водного хозяйства. Специальные сооружения бывают: мелиоративные (каналы, насосные станции и др.); водно-энергетические (здания гидростанций, деривационные каналы и туннели, уравнительные резервуары и другие сооружения, предназначенные для использования энергии воды); воднотранспортные (каналы, судоходные шлюзы, причалы, волноломы и пр.); лесосплавные (бревноспуски, лесозадерживающие сооружения и др.); рыбо-хозяйственные (рыбоходы, рыбоподъемники, рыбоводные пруды и др.); для водоснабжения и водоотведения (водозаборы, насосные станции, каналы, коллекторы, очистные станции и др.); для борьбы с наводнениями, селями, эрозией почвы (защитные дамбы, ливнестоки и др.); для использования грунтовых вод (подземные водозаборы и др.); для создания хвостохранилищ, шламонакопителей (дамбы, трубопроводы и др.).
В ряде случаев применяют совмещенные сооружения, которые одновременно выполняют несколько функций, например, совмещенные здания ГЭС (с водосбросными отверстиями), судоходные шлюзы – водосбросы, совмещенные с водозаборами, и др.
По условиям использования речные гидротехнические сооружения разделяются на постоянные, используемые при постоянной эксплуатации, и временные. При этом к временным относятся сооружения, используемые только в период строительства или ремонта постоянных сооружений.
Постоянные гидротехнические сооружения разделяются на основные и второстепенные. К основным относятся гидротехнические сооружения (плотины, дамбы, водосбросы, каналы, туннели, трубопроводы, водозаборные сооружения, здания ГЭС и насосных станций, судоходные шлюзы и судоподъемники, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения и др.). К второстепенным относятся гидротехнические сооружения (ремонтные затворы, струенаправляющие и раздельные стенки и дамбы, палы судоходных шлюзов, берегоукрепительные и ледозащитные сооружения и др.), разрушение которых не влечет за собой указанных выше последствий [2].
Постоянные гидротехнические сооружения разделяют на четыре класса (1–4). При установлении класса ГТС учитывают последствия при возможной аварии, их высоту, материал и вид грунта основания. В зависимости от последствий нарушения эксплуатации ГТС, в соответствии со СНиП (11-50-74. Гидротехнические сооружения речные. Основные положения проектирования), класс назначают по данным табл. 1 [2].
Таблица 1. Определение класса гидротехнических сооружений в зависимости от последствий нарушения их эксплуатации
Объект гидротехнического строительства и его показатель Класс сооружения

основные второстепенные
Гидротехнические сооружения гидравлических, гидроаккумулирующих и тепловых электростанций мощностью, млн. кВт:
1,5 и более
менее 1,5


I
II-IV


III
III-IV
Гидротехнические сооружения атомных электростанций мощностью, тыс. кВт:
500 и более
500...101
100 и менее

I
II
III

III
III
IV
Гидротехнические сооружения на внутренних водных путях:
сверхмагистральных
магистральных и местного значения
местного значения на малых реках

II
III
IV

III
IV
IV
Сооружения речных портов с навигационным грузооборотом, тыс. усл. т:
более 3000
3000...151
до 150

II
III
IV

III
IV
IV
Речные гидроузлы и магистральные каналы оросительных систем при площади орошения более 400 тыс. га
II
III
Речные гидроузлы и магистральные каналы мелиоративных систем при площади орошения и осушения, тыс. га
400...51
до 50

III
IV

IV
IV

Постоянные ГТС подразделяют на классы, от которых зависят состав и объемы изыскательских и проектных работ, коэффициенты запасов при расчетах ГТС, значения сбросных расходов, характеристики используемых при строительстве материалов. При определении класса учитывают ущербы народному хозяйству от аварий или нарушений эксплуатации ГТС. Основные положения проектирования ГТС в СНиП 33-01-2003 рекомендуют назначать класс основных ГТС по основным признакам: в зависимости от их вида и высоты, типов грунтов основания (табл. 2).
Таблица 2. Классы основных ГТС в зависимости от их вида, высоты, грунтов основания

Гидросооружения
Тип грунтов основания Высота сооружений (м) при их классе

I II III
1. Плотины из грунтовых материалов А
Б
В > 80
> 65
> 50 50 - 80
35 - 65
25 - 50 20 - 50
15 - 35
15 - 25 < 20
< 15
< 5
2. Плотины бетонные, подводные части зданий ГЭС; судоходные шлюзы; судоподъемники и другие сооружения напорного фронта А
Б
В > 100
> 50
> 25 60 - 100
25 - 50
20 - 25 25 - 60
10 - 25
10 - 20 < 25
< 10
< 10
3. Подпорные стенки А
Б
В > 40
> 30
> 25 25 - 40
20 - 30
18 - 25 15 - 25
12 - 20
10 - 18 < 15
< 12
< 10
Примечание. Грунты: А - скальные; Б - песчаные, крупнообломочные, глинистые твердые и полутвердые; В - глинистые водонасыщенные пластические.

Стоит также отметить, что в соответствии с современной концепцией все гидротехнические сооружения и водохозяйственные мероприятия, проводимые в бассейне или в русле и пойме реки, подразделяются на активные и пассивные (рис.1). К активным относятся сооружения и мероприятия, которые не только испытывают на себе воздействие русловых процессов, но и оказывают на них существенное влияние. К пассивным относятся те сооружения, которые только испытывают на себе воздействие русловых процессов, но существенного влияния на них не оказывают.

Рис. 1. Типизация речных инженерных сооружений по их воздействию на русловые и пойменные процессы [3]


Воздействие гидротехнических сооружений на окружающую среду
2.1 Геологическая деятельность рек
Реки производят огромную эрозионную, переносную и аккумулятивную работу [2]. С момента образования река стремится выработать профиль равновесия, приближающийся к уровню бассейна, в который она впадает (базис эрозии). При этом она врезается в породы, углубляя русло (донная эрозия) (рис.1)

Рис. 2. Выработка профиля равновесия реки. Рост долины происходит в направлении стрелки, 1-4 – стадии роста, 5 – базис эрозии реки.

Река производит большую эрозионную работу. Выделяются два типа эрозии:
1. донная, или глубинная – направлена на врезание речного потока в глубину;
2. боковая, ведущая к подмыву берегов и расширению долины.
В начальных стадиях развития реки превалирует донная эрозия, которая стремиться выработать профиль равновесия применительно к базису эрозии – уровню бассейна, куда впадает река. Базис эрозии определяет развитие всей речной системы – реки и её притоков разных порядков. По мере выработки продольного профиля, приближающегося к стадии динамического равновесия, закономерно изменяется и форма поперечного профиля долины. В начале развития реки – крутое углубление, позже – каньон, переходящий в V-образный профиль с покатыми склонами

. Это первая стадия развития реки – стадия морфологической молодости. С выработкой профиля равновесия реки уменьшается уклон её русла. Донная эрозия постепенно ослабевает и начинает сказываться боковая эрозия. Она направлена на подмыв берегов, расширение долины и формирование плоского дна. Это особенно проявляется в периоды половодья, когда увеличивается скорость течения и его турбулентность. Вихревые движения способствуют интенсивному размыву дна в стрежневой части русла и часть донных наносов выносится к берегу (стрежень – линия, соединяющая проекции точек с максимальной скоростью течения на поверхности реки). Их накопление приводит к изменению формы поперечного сечения русла, нарушается прямолинейность потока и его стрежень смещается к одному из берегов. Во время поднятия территории или понижения базиса эрозии река врезается в коренные породы и начинает снова разрабатывать долину. При новом поднятии процесс повторяется (рис.3).

Рис. 3. Схема формирования речных террас. 1 – река; 2 – аллювий; 3 – коренные породы; 4 – поднятие

После выработки профиля равновесия река начинает размывать берега, расширяя долину (боковая эрозия) и формируя пойму. В эту стадию у реки формируются излучины (меандры). В большинстве речных долин развиты поймы и надпойменные речные террасы: эрозионные; эрозионно-аккумулятивные, или цокольные; аккумулятивные.
Основными причинами формирования надпойменных террас являются тектоническое поднятие территории или понижение базиса эрозии. В обоих случаях река вновь вынуждена врезаться в породы русла и вырабатывать новый профиль равновесия. Такие циклы могут повторяться несколько раз, что приводит к образованию широкой долины с серией надпойменных террас. Весь переносимый и отложенный реками материал называется аллювием. С ним связаны месторождения строительных материалов, россыпные месторождения золота, олова и др. В устьевых частях одних рек формируются дельты, в других – эстуарии.
Перенос материала рекой осуществляется волочением, во взвешенном состоянии, в растворенном состоянии. Влекомые рекой по дну и взвешенные наносы называются твердым стоком рек. Наличие обломочного материала, переносимого рекой, в свою, очередь, способствует усилению речной эрозии.
Одновременно с эрозией и переносом происходит отложение материала. Отложения, накапливающиеся в речных долинах, называются аллювием. Они состоят из обломочного материала различной зернистости, степени окатанности и сортировки. Для аллювия в целом характерны хорошая окатанность материала, хорошая отсортированность, неправильная косая слоистость. Сортировка обломочного в реках связана с разнообразными и часто меняющимися скоростями течения. На участках с быстрым течением отлагается только грубообломочный материал, с медленным – песок, в устья рек выносится еще более мелкий материал и отлагается в значительных количествах. Большая часть рыхлого материала выносится в море.
2.2 Различные аспекты влияния ГТС на компоненты окружающей среды
Влияние ГТС на окружающую среду может касаться различных компонент природно-технического комплекса: не только элементов природной среды, но и отраслей хозяйства и социально-демографической сферы [6]. На представленной схеме показаны различные аспекты влияния ГТС на компоненты окружающей среды (рис.4).
2.2.1 Влияние на гидравлический режим водотока
Создание крупных гидроузлов на реках вносит большие изменения в их естественный гидрологический режим. В результате регулирующего действия водохранилища сток реки в нижнем бьефе становится более равномерным в течение года. Регулирующее влияние водохранилища приводит к существенному перераспределению стока по сравнению с бытовым состоянием: уменьшаются расходы паводка и увеличиваются расходы межени. Влияние неустановившегося движения, возникающего в нижних бьефах энергетических гидроузлов в результате суточного и недельного регулирования стока, распространяется на равнинных реках на расстояние до нескольких сотен километров от плотины.
2.2.2 Влияние на русловой режим водотока
Задержка водохранилищем твердого стока и перераспределение во времени стока воды приводит к изменению руслового процесса в верхнем и нижнем бьефах гидроузла. Преобладающие в естественных условиях обратимые деформации русла, обусловленные транзитным транспортом наносов, поступающих с площади водосбора, после возведения гидроузла сменяются необратимыми деформациями. Создание водохранилища приводит к тому, что большая часть наносов осаждается в нем, и в нижний бьеф вода поступает осветленной.


Рис.4. Основные направления воздействия ГТС на окружающую среду
В результате происходит постепенное занесение чаши водохранилища донными наносами и его заиление взвешенными наносами. Происходит трансформация русла нижнего бьефа - изменение геометрических и гидравлических характеристик русла реки, проходящее на значительном ее протяжении и обусловленное нарушением ранее существовавших режимов твердого и жидкого стока. Трансформация русла влечет за собой изменение связей расходов и уровней воды, характеризовавших отдельные сечения водотока.
2.2.3 Влияние на ледотермический режим водотока
В верхнем бьефе гидроузла, как правило, происходит увеличение глубины и ширины потока, что ведет к снижению скоростей течения и интенсивности турбулентного перемешивания на этом участке реки. К числу факторов, под воздействием которых формируется ледотермический режим нижних бьефов ГЭС, относятся: температура воды, поступающей из верхнего бьефа в нижний; режим расходов, проходящих через ГЭС; скорости течения и уровни воды в нижнем бьефе; морфометрические характеристики русла в нижнем бьефе; работа гидроузла изолированно или в каскаде; климат региона: температура и влажность воздуха, облачность, скорость и направление ветра, количество выпавших осадков; химический состав воды в потоке (минерализация); температурные и криогенные характеристики грунтов ложа; наличие притоков и сбросов коммунальных и промышленных предприятий.
2.2.4 Изменение состава атмосферного воздуха
Изменение качественного состояния атмосферного воздуха обычно связано с дополнительным загрязнением выбросами в период строительства и эксплуатации объекта либо с изменением условий распространения примесей, возникающим под его воздействием [10].

2.2.5 Изменение животного и растительного мира
Изменения животного мира - создание водохранилищ, каналов и т.п. коренным образом изменяет местный ландшафт. Это может отрицательно повлиять на привычный образ жизни и рефлексы животных: сезонные пути их миграции, изменение мест водопоя, условия их зимования, поисков пищи и т.п. При оценке воздействия гидротехнического строительства на животный мир должны учитываться следующие основные тенденции:
1. Снижение биологического разнообразия. Речные долины (пойма) являются зоной повышенного биотопического и видового разнообразия.
2. Снижение биологической продуктивности на склонах побережий водохранилища.
3. Вынужденные концентрации млекопитающих в районах выклинивания подпора водохранилища на реке и ее притоках. На притоках будет отмечаться тенденция к формированию зон повышенной численности и миграционной активности большинства видов млекопитающих.
Изменения растительности - использование земли для строительства гидротехнических сооружений и создания водохранилищ приводит к отчуждению и сокращению площадей, занятых растительностью (луговой, кустарниковой, лесной и т.д.), а также к изменению условий произрастания растительности на территории, подверженной влиянию гидроузла. Изменение влажности и гидрохимического состава почв, изменение климатических условий вблизи водохранилищ и их нижних бьефов может оказать заметное влияние на интенсивность развития растений, создать благоприятные условия для одних видов и неблагоприятные для других. Эти вопросы должны найти отражение при анализе воздействия ГТС на окружающую среду [5].


Меры предотвращения опасности воздействия гидротехнического сооружения на окружающую среду
3.1 Меры предотвращения опасности воздействия на окружающую среду на этапе разработки проекта ГТС
При разработке проекта ГТС следует руководствоваться законодательством России об охране окружающей среды и соответствующими нормативными документами. Следует также рассматривать мероприятия по улучшению экологической обстановки по сравнению с природной, использованию водохранилищ, НБ и соседних земель для развития туризма, рекреации земель и вовлечения их в хозяйственную деятельность.
При создании плотин следует предусмотреть инженерную защиту или перенос жилых и производственных объектов, историко-архитектурных памятников, благоприятные режимы уровней в ВБ и НБ, подготовку затапливаемых территорий, а при необходимости – переселение из района возможного затопления и благоустройство территории.
Разработка природоохранных мероприятий должна включать: изучение состояния природной среды, составление прогнозов ее изменений, разработку мер защиты, способов контроля за состоянием среды и дополнительные мероприятия по сохранению экологической обстановки при эксплуатации ГТС.
3.2 Выполнение требований по охране окружающей природной среде
Для выполнения требований по охране природной среды необходимо производить оценку и прогнозирование:
изменения геологических и гидрогеологических условий – режима уровней, условий питания, химизма подземных вод, засоления грунтов;
фильтрационных потерь воды из водохранилища;
изменений природной среды при создании водохранилища;
изменения хода руслового процесса, трансформации русла нижних бьефов, заиления и переработки берегов водохранилищ;
изменений термического и ледового режимов в бьефах, образования полыней и заторов льда;
изменения сейсмологической обстановки, частоты землетрясений.
При проектировании ГТС следует учитывать изменения природных условий, которые приводят к следующим негативным процессам в основаниях:
повышению активности ближайших тектонических разломов;
подтоплению и затоплению территорий, оценку которых необходимо выполнять, руководствуясь нормативами;
переработке берегов и заилению водохранилищ;
химической суффозии растворимых карбонатных пород;
cуффозии песков, суффозионного карста;
возникновению оползней.
В качестве природоохранных мероприятий для управления развитием указанных процессов следует разрабатывать мероприятия, включающие:
бетонирование крупных трещин;
дренажно-противофильтрационные устройства;
уплотнение, цементацию, инъекцию, планировочные работы;
замену грунтов;
берегоукрепительные конструкции;
оградительные и водоотводные сооружения (дамбы, каналы, трубопроводы);
регулирование режима работы ВБ;
рекультивацию земель;
рекреационные зоны и т.п. [11].

Анализ и оценка безопасности гидротехнических сооружений
4.1 Понятие термина «безопасность ГТС»
Безопасность ГТС – состояние сооружения, позволяющее обеспечить защиту жизни, здоровья и законных интересов людей, окружающей среды и хозяйственных объектов. Не все ГТС обладают потенциальной опасностью. Зависит это от объема воды, который при прорыве напорного фронта, превращается в водный поток, несущий разрушения. Опасность ГТС зависит также от напора воды на сооружении в месте его возможного разрушения. Чем больше напор, тем большей кинетической энергией будет обладать поток после разрушения сооружения. Чем выше плотность населения и количество объектов народного хозяйства, попадающих в зону затопления, тем выше размеры ущерба, который будет иметь место после разрушения ГТС. Объем воды, создающий угрозу затопления, определяется для водохранилищ емкостью его чаши, для каналов- габаритами его русла, для речных гидроузлов- объемом стока расчетного паводка