Реки — источник энергии

Велико энергетическое значение рек. Энергия рек — даровая сила природы, возникающая в процессе круговорота влаги на Земле. Используя ее в своих интересах, человек помещает создан­ные им орудия труда в поток влаги на Земле и делает даровую силу падения воды одной из важнейших своих производительных -сил.

Энергия реки с давних пор используется человеком. В XI— XIV вв. водяное колесо — энергетическая база для мукомольного производства; далее — суконного, позже — металлургии, бумажно­го и хлопчатобумажного.

В эпоху водяного колеса промышленные (мануфактурные) предприятия располагались у водопадов — естественных или искусственных, образованных перепадом воды у больших плотин, •создававших значительный подпор. Например, на Урале плотины создавали подпор до 7—8 м, длина некоторых плотин на реках Урала в XVIII в. превышала 1 км, они имели ширину до 60 м по основанию и до 30 м по гребню. В XVIII же веке русский изобре­татель И. Ползунов на Алтае соорудил крупную деривационную силовую установку. Несколько позднее там же К. Фролов создал каскад водных силовых установок на одной и той же реке.

266

В Англии до использования каменного угля и изобретения •паровой машины широко пользовались речками, берущими начало в Пенниках. На эти речки ориентировались старые металлургиче­ские заводы, текстильные мануфактуры и мельницы. До сих пор некоторые из старых водяных колес действуют для рекламы пред­приятий (от водяного колеса — до автоматизированного производ­ства!) и для привлечения туристов.

В Соединенных Штатах Америки в XVIII в. Аппалачи с их многочисленными водопадами и порогами притянули разнообраз­ную промышленность, в том числе металлургию.

Паровая машина разрушила зависимость промышленности от водяного колеса, сделала географическое размещение промышлен­ности более свободным: она стала ориентироваться на местные источники топлива, а также снабжаться привозным топливом.

Еще более свободным сделала географическое размещение промышленности электрическая энергия, причем очень важным ее источником стала река, приводящая в движение турбины гидро­электростанций.

Гидроэнергетика достигла очень больших успехов: построено много плотин и водохранилищ, сильно увеличились диаметры тур­бин и возросла мощность электрических станций. Дальность пере­дачи энергии по проводам уже составляет тысячи километров.

Успехи техники строительства гидроэлектростанций и строи­тельства линий высоковольтных электропередач привели к тому, что гидроэлектростанции стали создаваться, с одной стороны, в местах, наиболее благоприятных по природным условиям, с пере­дачей энергии в районы потребления, и, с другой — непосредствен­но в районах потребления энергии — на тех реках с широкими долинами и небольшим падением, которые еще совсем недавно считались непригодными для гидростроительства.

Современные крупные гидроэлектростанции дают дешевую энергию. Она потребляется электроемкими промышленными про­изводствами (электрометаллургия черных и цветных металлов и электрохимия), электрифицированными железными дорогами, городами и сельским хозяйством. Гидроэнергетика является одной из основ современной техники.

Создание каскада взаимосвязанных гидроэлектростанций требует планирования всего хозяйства экономиче­ского района, что в полной мере возможно лишь при социа­листической экономике.

По современным подсчетам, потенциальные энергетические ресурсы речного стока земного шара оцениваются в 3700— 3750 млн. кет, со следующим распределением по частям света <табл. И).

Советский Союз (по той же методике расчетов) обладает гидроэнергоресурсами, оцениваемыми в 420 млн. кет (3700 млрд. квт-ч),т. е. 11,4% мировых ресурсов.

267

Если даже взять минимальную оценку мировых гидроэнерге­тических ресурсов (3700 млн. кет), то все же окажется, что пока еще (к началу 1963 г.) их использование невелико (180 млн. кет, т. е. около 5% потенциала). В Европе и Северной Америке степень использования гидроэнергоресурсов высока (в Европе — 30%), а в Азии (кроме СССР и Японии), Африке и Южной Америке — ничтожна. Гидроэнергетика сможет сыграть большую роль в подъ­еме народного хозяйства развивающихся стран трех последних континентов, подобно той, какую она сыграла в электрификации Советского Союза.

Таблица И*

* А. Н. Вознесенский и И. А. Терман. Гидроэнергетиче­ские ресурсы СССР. «Гидротехническое строительство», 1956, №4, стр. 19—20

В последнее время в мировой литературе участились утверж­дения, что гидроэнергостанции (ГЭС) должны отступить на задний план по сравнению с мощными тепловыми ТЭС и особенно с атом­ными (АЭС) электростанциями. Уже теперь строятся более деше­вые и в более короткий срок АЭС, такой же большой мощности, как и ГЭС. Существует даже мнение, что те ГЭС, которые не начнут строиться или проектироваться в 1970-х годах, уже никогда не будут построены, так как атомная энергетика в 1980-х годах будет намного экономически выгоднее, чем гидроэнергетика. И все же, конечно, гидроэлектростанции будут продолжать строиться и в следующие десятилетия. Другое дело, что при их строительстве будут выбираться особенно удачные пункты для мощных ГЭС и еще более, чем в настоящее время, будут учитываться выгоды комплексного решения водохозяйственных проблем, при первосте­пенном значении водоснабжения и ирригации. Будет все меньше ГЭС на равнинных реках с большими по площади водохранили­щами и больше — на могучих реках, прорывающих горы, плато и возвышенности узкими ущельями. В настоящее время уделяется внимание гидроаккумулирующим электростанциям (ГАЭС), кото­рые строятся вблизи потребителей энергии. В часы, когда энергия в системе не потребляется, она используется на перекачку воды

в аккумулирующие резервуары, а в часы «пик» на этой воде ра­ботают ГАЭС. Вблизи Нью-Йорка построена ГАЭС мощностью около 2 млн. кет.

Реки по их использованию для строительства гидроэлектро­станций делятся на два основных типа:

1. Реки, на которых можно построить низкие или высокие пло­тины с ГЭС или в теле плотины, или рядом с ней. Сюда относятся, в частности, гидроэлектростанции на равнинных реках, которые при сравнительно небольшом падении воды пропускают через гигантские турбины колоссальные массы воды. Как известно, мощ­ность гидроэлектростанции зависит (по формуле N = 9,81 -С2-Н кет) о? (2 — массы воды и Я — высоты падения воды.

При строительстве крупных волжских, днепровских и других ГЭС, использующих огромные массы воды, приходится создавать гидротурбины больших размеров.

На равнинных реках с небольшим падением сооружаются низконапорные (с напором 10—15 м) и средненапорные (20—25 м) гидротехнические узлы. Куйбышевский и Волгоградский гидроузлы имеют напор 25 м.

На равнинных реках с широкими долинами и относительно низкими коренными берегами нельзя строить высоконапорных плотин. Каждый метр прироста напора вызывает сильное увели­чение площади затопления, отнимает много сельскохозяйственных земель. В этих условиях расходы на сооружение плотины возрас­тают с увеличением ее высоты гораздо быстрее, чем мощность ГЭС.

__ На равнинных реках высота плотин, создаваемых для работы гидроэлектростанций, не должна быть ниже максимального подъе­ма воды во время половодья и паводков (в среднем и нижнем те­чении Волги —10—15 м) и не может быть выше той точки, за которой начинается резкое увеличение площади затопления без существенного прироста объема водохранилища, т. е. создаются обширные мелководья, испаряющие много влаги, но мало влияю­щие на работу гидроэлектростанций. Отсюда совершенно ясной становится необходимость серьезно считаться при строительстве гидроузлов с высотами речных долин.

Для больших равнинных рек, как правило, типична чрезвы­чайно сильная неравномерность расхода воды (минимум относится к максимуму как 1 : 100 и даже как 1 : 150). На этих реках надо запасать много воды в водохранилищах, а в половодье приходится сбрасывать из верхнего бьефа в нижний избыточные полые воды. Для этого надо сооружать дорогостоящие и сложные по конструк­ции водосливные плотины.

Могучие реки с узкими долинами имеют более благоприятные природные условия для гидроэнергетического строительства. На этих реках возможно строительство высоконапорных плотин, водо­хранилища имеют меньшие площади, более глубоки и имеют влд узких фьордов.

269

В 1900 г. во всем мире было около тысячи крупных плотин на реках, в 1960 г. их число возросло до 8 тысяч.

Самые высокие в мире плотины — это Ингурская на р. Ингу-ри, высотой 300 м (СССР), Буолдер-Дам в глубоком каньоне р. Колорадо, высотой в 221 м (США), Гранд-Диксоне, высотой в 284 м (Швейцария) и Нурекская в узком ущелье, прорытом р. Вахш, высотой более 300 м (СССР). Высоки и новые плотины на великих сибирских реках: 58 м имеет плотина Иркутской ГЭС и 128 м — плотина Братской ГЭС на Ангаре, 101 м—Краснояр­ской ГЭС на Енисее.

2. Горные реки несут обычно относительно небольшую массу воды, но зато высота падения водного потока очень велика. На использовании высоты падения водного потока и основывается сооружение горных гидроэлектростанций. При строительстве ГЭС на горной реке плотина сооружается значительно выше самой электростанции; от плотины, из верхнего бьефа, по склону с очень небольшим уклоном проводится канал, называемый деривацион­ным, который заканчивается высоко над зданием гидроэлектро­станции. Из этого канала вода устремляется по трубопроводу (или нескольким трубопроводам) вниз, к турбинам ГЭС.

На деривационных (по преимуществу горных) гидроэлектро­станциях напор достигает многих сотен метров (до 1500 и даже 1770 м). Таких гидроэлектростанций много в гористой Норвегии, в Швейцарии и" в других горных странах, а в СССР — на Кавказе. Самые мощные гидроэлектростанции в мире сооружены и "строятся в Советском Союзе.

Режим рек, на которых сооружаются гидроэлектростанции, в значительном большинстве случаев неравномерен по временам • года. Кроме того, водность реки довольно сильно меняется от го­да к году. Потребитель же нуждается в возможно более постоян­ной в течение года (и ряда лет) выработке электрической энергии. Как устранить это противоречие между режимом реки и по­требностью в электрической энергии?

Во-первых, человек может пользоваться для этого некоторы­ми благоприятными природными условиями:

а) строить гидроэлектростанции на естественно регулируемых реках, т. е. на тех, которые берут начало из больших озер, регули­ рующих режим вытекающих из него рек, делают его более равно­ мерным, относительно независимым от колебаний климата: тако­ вы, например, Ангара, естественно регулируемая оз. Байкал; Вуок- са, регулируемая системой Сайменских озер; Свирь, регулируемая Онежским озером; верхний Иртыш, частично регулируемый оз. Зайсан, и прочие реки Советского Союза и других стран;

б) соединить линиями высоковольтных электропередач гидро­ электростанции, выстроенные на реках с разным режимом. Когда на одной реке — максимальный расход воды и наибольшая выра­ ботка электроэнергии станцией, на другой — наблюдается мини­ мальный расход воды и малая выработка энергии. Соединение 270

гидроэлектростанций разного типа выравнивает производ­ство электроэнергии, позволяет давать ее потребителю более рав­номерно в течение года. Так, соединение кольцом электропередач гидроэлектростанций Северного Кавказа -и Южного склона Боль­шого Кавказа и Армении (где режим станций регулируется оз. Се­ван) выравнило производство энергии в году и от года к году.

Огромные возможности открываются перед человечеством в деле гидроэнергетического использования притоков таких боль­ших рек экваториального пояса, как Конго и Амазонка. Мощные северные притоки этих рек обильны водой в период тропических дождей северного полушария (март—октябрь), а южные притоки несут много воды в период тропических дождей южного полуша­рия (ноябрь—март). В бассейне Конго могли бы быть созданы гидроэлектростанции общей мощностью в 130 млн. кет.

Однако далеко не везде можно опереться на благоприятные природные возможности. В остальных случаях при строительстве гидроэлектростанции создаются водохранилища, искусственно ре­гулирующие режим реки и поступление воды в турбины гидро­электростанции. Водохранилища необходимы для выравнивания различий режима реки от года к году (многолетнее регулирова­ние), от сезона к сезону— (межсезонное регулирование) и в тече­ние суток (внутрисуточное регулирование). На Земле создано уже немало крупных по объему искусственных водохранилищ.

По подсчетам М. И. Львовича, к 1967 г. площадь⁹ искусствен­ных водохранилищ всего мира составляла не менее 300 тыс. км²_г с полезным объемом примерно 2,3 тыс. км³. На первом месте стоит Братское водохранилище (СССР), объем около 180 км³, далее сле­дуют водохранилища Кариба на р. Замбези —150 км³, Акосомбо на р. Вольта — 140 км³, Сад-эль-Али на р. Нил — около 140 км³. Оптимум получается при большом объеме и сравнительно неболь­шой площади. Слишком большие по площади, но небольшие по объему водохранилища затопляют много земли, испаряют много влаги, ветры вызывают на них большие волны. Объем водохрани-^ лища состоит из неиспользуемого («мертвого») объема и полезно* го, составляющего от ^!Д до ^!/2 всего объема водохранилища. Коли­чество энергии, вырабатываемой гидростанцией, достигает наи­большей величины не при полном напоре, а при некотором его уменьшении, дальше которого при последующем уменьшении напо­ра происходит и-уменьшение выработки энергии. Избыток воды в реке (при низконапорных и средненапорных гидроузлах) не уве­личивает, а уменьшает выработку энергии.

Во время половодья, когда вода сбрасывается через водослив­ную плотину или через отверстия в водосборной плотине и уровень реки в нижнем бьефе сильно повышается, мощность гидроэлектро­станции несколько уменьшается.

⁹ См. М. И. Львович. Водные ресурсы Земного шара и их будущее. «Изв. АН СССР», сер. геогр., 1967, № 6.

271:

На горных гидроэлектростанциях с напором в сотни метров колебания уровней верхнего и нижнего бьефов во время половодий и паводков не имеют практического значения.

Даже крупные водохранилища не могут полностью устранить зависимость работы отдельных гидроэлектростанций от режима реки, в известной степени она сохраняется. Поэтому большое эко­номическое значение имеет совмещение в одной энергетической •системе гидроэлектростанций и тепловых электростанций, рабо­тающих на угле, мазуте, горючих газах и других видах топлива. В относительно маловодные периоды (или, наоборот, в чрезмерно многоводные), Когда гидроэлектростанции дают меньше энергии, больше загружаются тепловые станции и наоборот — тепловые электростанции сокращают потребление топлива, когда гидро­электростанции работают на полную мощность.

Водохранилища служат для регулирования не только нерав­номерного во времени природного режима реки, но и для регули­рования той неравномерности во времени потребления электриче­ской энергии, которая целиком связана с характером хозяйства в районе действия гидроэлектростанций. Особенно сильны суточ­ные колебания Потребности в энергии, что вызывает необходимость в течение нескольких часов (а иногда даже минут!) резко менять •количество воды, направляемой из водохранилища к турбинам гидроэлектростанции, что вызывает различия в уровне водохрани­лища на разных расстояниях от плотины.

Наилучшие условия для работы гидроэлектростанций созда­ются каскадом станций на реке, где каждая следующая гидроэлектростанция создается в том месте, где выклинивается (сходит на нет) подпор от нижележащего гидроузла. В результате фека превращается в лестницу искусственных озер-водохранилищ, а у каждой сту_пеньки этой лестницы располагается гидроэлектро­станция. Каскад гидроэлектростанций позволяет многократно ис­пользовать силу падающей воды: каждая нижележащая станция использует дл*) своей работы сток реки, который был собран и " использован на гидроузлах, расположенных выше по течению реки. Самая верхняя _Из станций еще не регулирует полностью стока, следующие — Делают это во все большей степени, наконец, самая нижняя получает сток, зарегулированный верхними гидроузлами и гидроузлами _на притоках, исходя из хозяйственных задач тех экономических районов, через которые протекает река.

Для правильного использования каскада гидроэлектростан­ций надо, чтобы, они работали по единому плану, чтобы бы­ли согласованы периоды максимального и минимального поступле­ния воды из водохранилища верхней гидроэлектростанции в ниж­ний бьеф, который является водохранилищем нижерасположенной гидроэлектростанции. При этом должно учитываться время, кото­рое требуется н_а то, чтобы вода, прошедшая через турбины, верх­ней гидростанции, дошла бы до турбин нижележащей. Иначе может получиться, что как раз тогда, когда нижняя станция нуж-

272

дается в максимальном количестве воды, верхняя ее не дает или дала, но она еще находится в пути. Так как на реках гидроэлект­ростанции каскада расположены друг от друга на расстоянии многих десятков, а иногда и сотен километров, то единому плану регулирования стока реки, сработки водохранилищ, про­изводства и потребления электроэнергии подлежит огромная 'тер­ритория речного бассейна.

Каскад гидроэлектростанций — грандиозная территориальная система, которая в полном виде может осуществиться только при плановом хозяйстве. В капиталистических странах создаются каскады гидроэлектростанций, в частности в США, где ' гидро-энергостроительство главным образом связано с развитием воен­ной промышленности. Каскад электростанций на р. Теннесси стал базой алюминиевой и магниевой промышленности и производства боеприпасов; на энергии гидростанций Теннесси работает про­мышленность Окриджа — крупного центра производства атомных бомб. На энергию каскада гидростанций р. Колумбия опирается крупная алюминиевая промышленность и другой центр атомной промышленности США — Хэнфорд. Таким образом, в обоих слу­чаях каскады гидроэлектростанций в США были созданы .в рас­чете на колоссальные прибыли, которые получают капиталистиче­ские монополии от военного производства.

В Советском Союзе метод каскадного строительства гидро­электростанций является не исключением, а основным принципом гидроэнергостроительства. Уже созданы и создаются каскады гидроэлектростанций на многих реках, прежде всего на Волге, Днепре, Ангаре. На Волге построен последовательный ряд гидро­электростанций — Иваньковская, Угличская, Рыбинская, Горьков-ская, Куйбышевская, Саратовская (Балаковская), Волгоградская. Волжский каскад охватывает не только Волгу, но и Каму: вошли в строй Камская ГЭС у г. Перми и Боткинская у г. Воткинска, строится Нижнекамская ГЭС у Набережных Челнов.

Водохранилища на Волге и Каме в сумме имеют объем около 165 км³, при годовом стоке Волги (в ее устье) в 243 км³. Полезный объем этих водохранилищ — около 85 км^г, емкость волжских водо­хранилищ невелика по сравнению с объемом всей поступающей в них воды и поэтому большая ее часть проходит через водохра­нилища «транзитом».

При освоении человеком реки нельзя упускать из виду водо­сборы, где формируется из мельчайших струек дождевых и талых вод мощный речной поток. Поэтому регулирование реки важно для водоснабжения водного транспорта и гидроэнергетики. Оно не мо­жет ограничиваться лишь одним гидротехническим строительством в долине реки и должно обязательно включать и регулирование стока на водосборах. Последнее заключается в создании правиль­ного соотношения между пашней, лугами и лесами, в насаждении влагорегулирующих лесных полос, в правильной пахоте и других агротехнических приемах, в устройстве прудов и водоемов и т. д.

91/₄ Зак. 573 973

Задача заключается в переводе значительной части поверхностно­го стока в подземный сток, т. е. реки должны в возможно большей степени получать невидимые, подземные воды и как можно мень­ше воды из оврагов и балок.

одной эпохи к другой. Еще в рабовладельческую эпоху были со­зданы крупные оросительные системы, хорошо приспособленные к режиму рек. Типичным примером таких систем надо считать орошение в Древнем Египте.

Таблица 12*

Технический прогресс в развитии промышленности привел к изменению ее структуры, технологии. Все большую долю занимают отрасли химической промышленности, а в технологии ряда других отраслей — химические технологические процессы. Все это приве­ло к тому, что уже очень многие промышленные производства предъявляют спрос на чистую пресную воду, на пар. В результате промышленность в целом становится все более водоемкой. Вода нужна для технологических нужд (безвозвратные расходы воды), для охлаждения тех или иных установок (оборотная вода). При использовании воды для технологических целей важно ее качест­во — чистота, мягкость и т. д. Потребность в воде (куб. м) на 1 т промышленной продукции различна:

• 25

• 800—850

• 1500

• 800—1000

• до 800

• от 100 до 400

• 1200

• 2500

сталь

никель

алюминий

аммиак

целлюлоза

бумага

вискозный шелк

капроновое волокно

Поэтому современные промышленные предприятия, особенно металлургические и химические заводы и комбинаты, размещают­ся у мощных источников воды. Помимо приближения промышлен­ности к источникам сырья, приобретает все большее значение при­ближение промышленности к водным источникам. В ряде случаев химические заводы, например целлюлозные, создаются у источни­ков наиболее чистой воды.