Водные ресурсы, 2022, T. 49, № 3, стр. 305-315

ВВЕДЕНИЕ

Целью работы было изучение изменения гидротермического режима р. Дон под влиянием тепловых сбросов Новочеркасской ГРЭС (НчГРЭС) с учетом проектируемого Багаевского водохранилища. В результате выполненных исследований на основе детальной батиметрии Багаевского водохранилища, подводящего и отводящего каналов НчГР-ЭС построена компьютерная гидротермическая модель и проведены вариантные расчеты температурных режимов Багаевского водохранилища с учетом разных гидрометеорологических условий и разных режимов работы НчГРЭС (всего 14 сценариев).

НчГРЭС расположена в Ростовской области недалеко от г. Новочеркасска в 20 км от русла Нижнего Дона. Из р. Дон по подводящему (холодному) каналу ведется забор охлаждающей воды, которая после прохождения через конденсаторы турбин сбрасывается по отводящему (горячему) каналу обратно в р. Дон и частично в р. Аксай.

После строительства Багаевского гидроузла на р. Дон в районе о. Арпачин режим работы НчГР-ЭС и гидротермический режим р. Дон на акватории Багаевского водохранилища изменятся. С одной стороны, из-за увеличения глубин воды на входе в подводящий канал появится возможность увеличить забор воды на ГРЭС при малых расходах воды в р. Дон. С другой стороны, из-за уменьшения скоростей течения в водохранилище по сравнению с существующими условиями изменится температурный режим реки, что может повлиять на рыбные ресурсы и экологию водоема.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Действующие гидротехнические сооружения (ГТС) НчГРЭС расположены на Приазовской наклонной низменной пластово-аккумулятивной равнине, примыкающей с С к Донецкому кряжу. Рельеф местности может быть охарактеризован как лощинно-балочный с редкими участками резко выраженного овражного рельефа.

Климат района умеренно континентальный. Среднегодовая температура воздуха 8.7°С, продолжительность периода со среднесуточной температурой <0°С – 110 сут. Наиболее низкая температура воздуха наблюдаeтся в январе, среднемесячная температура января –7°С, абсолютный годовой минимум –34°С. Средняя температура наиболее холодных суток –28°С. Самый теплый месяц года – июль, среднемесячная температура воздуха в июле равна +23.4°С, абсолютный годовой максимум достигает +40°С. Преобладающее направление ветра: в холодное время года – северо-восточное, в теплое – юго-западное. Среднегодовая скорость ветра составляет 4.3 м/с. Для самого жаркого месяца – июля – среднемесячная скорость ветра 3.0 м/с. Территория, на которой расположена НчГРЭС, по ветровой нагрузке относится к району III с нормативным скоростным напором 45 кг/м².

Система охлаждения и технического водоснабжения НчГРЭС – прямоточная с забором охлаждающей воды из Дона и сбросом нагретой воды в Дон и Аксай. В состав комплекса ГТС электростанции входят системы технического водоснабжения и системы внешнего гидрозолоудаления. В состав системы технического водоснабжения входят следующие сооружения:

три струенаправляющие дамбы на левом берегу Дон;

ковшевой бесплотинный водозабор на правом берегу Дона;

водоподводящий тракт (подводящий канал);

береговые насосные станции (БНС) 1 и 2 для технического водоснабжения энергоблоков 1–8;

напорные и сливные стальные циркводоводы;

закрытые отводящие каналы с сифонным колодцем;

шлюз-регулятор;

отводящие (сбросные) каналы 1 и 2;

водосливной порог в конце отводящего канала 2.

Техническое водоснабжение энергоблоков 1–8 проходит по прямоточной системе. Забор воды осуществляется из Дона на 134 км от устья. Вода из Дона через ковшевой бесплотинный водозабор подается по протоке Аксай и р. Воргунке длиной 15 км, а затем по искусственно созданному каналу длиной 5.5 км – непосредственно на промплощадку. Общая протяженность водоподводящего тракта 20.5 км. Проектная водопотребность НчГРЭС составляет: максимальная – 100 и минимальная – 46 м³/с.

На левом берегу подводящего канала в районе промплощадки расположены две БНС (1 и 2), которые по стальным трубопроводам диаметром 1800 × 8 мм подают воду на конденсаторы турбин. Из конденсаторов вода по стальным трубопроводам диаметром 1800 мм сбрасывается в закрытые сбросные железобетонные каналы. Далее вода из закрытых сбросных каналов через групповой сифонный колодец сбрасывается в открытый отводящий канал, который в 300 м от сифонного колодца разделен с помощью шлюза-регулятора 1 на два отводящих канала:

отводящий канал 1 длиной 6 км от шлюза-регулятора 1 до впадения в протоку Аксай возле ст. Кривянской;

отводящий канал 2 длиной 20.5 км от шлюза-регулятора 1 проходит параллельно подводящему каналу на расстоянии 100–400 м и впадает в Дон ниже ковшевого бесплотинного водозабора в 400 м.

В конце отводящего канала 2 устроен сифонный водосброс, состоящий из пяти стальных труб диаметром 1800 мм, направленных к истоку протоки Аксай для обогрева воды в месте водозабора. Работает этот канал в зимнее время для того, чтобы растопить шугу и плавающий лед и тем самым обезопасить водозабор от заторов льда и шугообразования и грубые вращающиеся сетки БНС 1, 2 от обледенения. Температура воды в голове канала зимой регулируется расходом воды через сифонный водосброс (т. е. количеством включенных сифонов). Сифон включается в работу при температуре воды в подводящем канале +2, +3°С.

Сброс отработанной воды расположен ниже по течению от водозабора в 400 м. В месте сброса сделан водосливной порог из каменной наброски длиной 56 м, шириной 4 м, с отметкой гребня 2.15 м.

Проект водозабора и подводящего канала к НчГРЭС разработан с учетом расходов и уровней р. Дон в створе водозабора (табл. 1).

Ковшевой бесплотинный водозабор на правом берегу Дона представляет собой расширенное до 60 м русло истока Аксая на участке длиной 200 м с отметкой дна 2.0 м. Откосы ковша заложением 1 : 3 закреплены каменной отмосткой толщиной 0.25 м. Правый берег Дона на участке водозабора длиной 3700 м также закреплен каменной отмосткой. Проектная пропускная способность водозабора 100 м³/с, средняя скорость при низких горизонтах воды в Дону 0.4–0.6 м/с. Водозабор оборудован сороудерживающей запанью.

Для обеспечения забора верхних слоев воды из Дона и для предотвращения попадания в протоку Аксай донных наносов на левом берегу Дона сооружены три струенаправляющие дамбы из каменной наброски длиной по 170–200 м.

Подводящий канал имеет следующие характеристики: длина всего канала 20.5 км, ширина по дну 30–45 м, заложение откосов 1 : 3, средний уклон дна без крепления 0.00005, средние скорости воды 0.4–0.6 м/с, минимальное превышение гребня дамб над уровнем воды в канале 1.5 м.

Размеры поперечного сечения подводящего канала выбраны исходя из условий неразмываемости русла. На начальном участке подводящего канала на расстоянии 0.3 км сделан ковш, соединяющийся со сбросным каналом 2 параллельно руслу Дона каналом длиной 600 м с сифонным водосбросом. В 400 м от головы подводящего канала установлена плавучая запань, предназначенная для задержания льда в весенний период, а также для сбора плавающего мусора, особенно весной. Подводящий канал от истока протоки Аксай до промплощадки разбит на 3 участка:

по руслу протоки Аксай, длиной 12.2 км, с проектной пропускной способностью 100 м³/с при гарантированном расходе Дона ≥440 м³/с;

по прорытому руслу р. Воргунки, длиной 2.8 км, с проектной пропускной способностью 90 м³/с, для чего русло р. Воргунки углублено и расширено до 30 м по дну, с заложением откосов 1 : 3 на этом участке;

по искусственно созданному руслу от р. Воргунки до промплощадки НчГРЭС, длиной 5.5 км, с проектной пропускной способностью 90 м³/с.

Основные грунты, в которых проходит канал, – суглинки и пески.

Отводящий (сбросной) канал 2 служит для отвода теплой технической воды от ГРЭС в Дон. По всей длине 20.5 км канал проложен параллельно подводящему каналу в 100–400 м от него. Пропускная способность канала 56.0 м³/с, скорость течения 0.52 м/с, ширина по дну 12.0 м, заложение откосов 1 : 3, уклон дна канала 0.000057, ширина ограждающей дамбы канала 6 м, заложение откосов 1 : 3, проектная отметка гребня ограждающей дамбы 6.5 м. Перед впадением в Дон сбросные расходы отводящего канала делятся на две ветви. По первой ветви в зимний период теплая вода подается через сифонный водосброс в соединительный канал и далее – в подводящий канал для предотвращения ледовых явлений. По второй ветви через водосливной порог теплая вода сбрасывается в Дон (сброс расположен на 400 м ниже по течению от водозабора). Основные грунты, в которых проходит канал, – суглинки и пески. Водосливной порог в конце отводящего канала 2 служит для поддержания необходимых отметок воды, обеспечивающих работу сифонного водосброса, и для сопряжения отметок воды отводящего канала 2 с отметками воды Дона. Водосливной порог выполнен в виде каменной призмы с глиняным ядром. Заложение верхового откоса 1 : 1, низового 1 : 4, отметка порога водослива 2.15 м, длина водосбросного фронта 56.0 м, ширина по гребню 12.25 м, расчетный расход 56.0 м³/с.

МЕТОДИКА И СТРУКТУРА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исходные данные для расчетов – следующие:

численная гидродинамическая модель русла Дона и Багаевского водохранилища, разработанная в [6];

батиметрическая съемка русла Дона на участке от Кочетовского гидроузла до г. Аксай;

космический фотоснимок НчГРЭС с подводящим и отводящим каналами из системы Google;

гидрометеорологические данные для термического расчета Багаевского водохранилища;

данные по расходам охлаждающей воды и величине нагрева на конденсаторах турбин ГРЭС;

чертежи гидротехнических сооружений проектируемого Багаевского гидроузла [7];

чертежи гидротехнических сооружений НчГРЭС.

Гидротермические процессы в Багаевском водохранилище моделировались на основе системы двумерных уравнений Сен-Венана и уравнения конвективного переноса тепла с учетом теплоотдачи в окружающую воздушную среду в предположении гипотезы полного перемешивания по глубине, т. е. без учета температурной стратификации (что идет в запас расчетов). В этом случае температурное поле не влияет на гидродинамические параметры течения в водоеме, которые можно определять в приближении мелкой воды. Русловое Багаевское водохранилище неглубокое (глубины по фарватеру 4–5, у плотины до 6, в среднем 3–4 м), скорости течения в нем довольно значительные, поэтому практически значимой стратификации в нем и тем более в отводящем канале ГРЭС не может наблюдаться.

Численное моделирование гидродинамических и термических процессов выполнялось с применением программного комплекса STREAM_2D [1]. В основу программы заложена двумерная нестационарная система уравнений мелкой воды (уравнения Сен-Венана) и тепломассопереноса. В расчетах используется оригинальный алгоритм, основанный на точном и единственном решении задачи Римана о распаде произвольного разрыва на неровном дне [5, 6].

На рис. 1 представлена общая схема расчетной области с расположением контрольных створов модели.

При построении компьютерной гидротермической модели ГТС Новочеркасской ГРЭС и Багаевского водохранилища на основе полученных исходных данных формировалась трехмерная цифровая модель рельефа (ЦМР). Для расчетов применялись гибридные сетки нерегулярной структуры, хорошо адаптирующиеся под плановые очертания расчетной области и особенности течения. При помощи модифицированной версии программы “TRIANA” [2] построена сетка с длинами сторон ячеек от 10 до 70 м, содержащая 123 900 ячеек. В области подводящего и отводящего каналов строилась четырехугольная сетка с тремя ячейками по ширине канала со средней длиной ячейки вдоль канала 100 м.

Модель Багаевского водохранилища детально откалибрована в работе [7]. Коэффициент шероховатости в формуле Маннинга для русловой части водохранилища принят равным 0.02 во всем диапазоне рассматриваемых в настоящей работе расходов воды Дона. Для подводящего и отводящего каналов ГРЭС коэффициент шероховатости по Маннингу был принят n = 0.025.

Определяющее влияние на интенсивность охлаждения отработанной воды оказывает суммарный коэффициент теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи зависит от скорости ветра и определяется по формуле из [3]:

где по данным обработки натурных измерений $\left| {\overrightarrow W } \right|$ – модуль расчетной скорости ветра на высоте 2 м над поверхностью воды.

Первоначально расчеты проводились при двух нормальных подпорных уровнях (НПУ) Багаевского водохранилища – 2.0 и 2.8 мБС – и для бытовых условий без учета водохранилища. Поскольку в процессе разработки проекта Багаевского гидроузла был окончательно принят НПУ = = 2.0 мБС, в дальнейшем в статье приводятся расчеты только для этого НПУ. Рассматривались два расхода воды Дона: 250 м³/с (основной режим Багаевского водохранилища в условиях подпора) и 440 м³/с (на этот расход запроектирован максимальный водозабор на ГРЭС 100 м³/с); два расхода теплой воды, сбрасываемой с ГРЭС в Дон по каналу 2: 22.5 м³/с (характерный летний за 2015, 2016 гг.) и максимальный проектный 56 м³/с. Повышение температуры охлаждающей воды на конденсаторах турбин в соответствии с проектными и фактическими данными для летних месяцев принималось равным 10°С. Все расчеты выполнялись для условий штиля и среднего ветра для летних месяцев – ЮЗ, скорость 3.0 м/с. На начальной стадии исследований были выполнены и расчеты с противоположным – СВ направлением ветра (не характерным для летних месяцев), которые показали, что в этом случае сбросные температуры из теплого (отводящего) канала в Дон незначительно (на 0.1°С) уменьшаются, т. е. приводят к более “щадящим” условиям на водосбросе. На численной гидротермической модели определялись превышения температуры воды в водохранилище над естественной под влиянием тепловых сбросов с НчГРЭС при различных гидрометеорологических условиях, перечисленных выше.

Затем для определения фактических расчетных значений температуры к величине превышения температуры добавлялись естественные расчетные значения температуры воды для жаркого месяца (июль) жаркого года обеспеченностью 95% (25.2°С) (табл. 2) и жаркого месяц (июль) среднего года обеспеченностью 50% (23.8°С) (табл. 3).

Нижний Дон и, соответственно, проектируемое Багаевское водохранилище – рыбохозяйственный водный объект. В соответствии с [7], температурный режим в водохранилище регламентируется следующими требованиями:

общее повышение температуры воды должно быть до ≤28°C летом и 8°C зимой;

температура подогрева в водохранилище после смешения в расчетном створе на расстоянии 500 м от водосброса не должна быть ≤5°С.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ ГИДРОТЕРМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ БАГАЕВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА

Расчеты выполнялись следующим образом. В соответствии с каждым из 14 сценариев задавались расход воды Дона в створе Кочетовского гидроузла, уровень воды (бытовой или НПУ) на выходной границе модели в створе Багаевского гидроузла, расходы забираемой на ГРЭС по подводящему каналу воды и сбрасываемой в Дон нагретой воды по отводящему каналу 2, скорость и направление ветра (или штилевые условия). Расчет начинался с установившегося режима течения в водохранилище, полученного предварительным расчетом, и продолжался до полного установления температурного режима во всей расчетной области (5–6 сут). Для удобства дальнейшего анализа все сценарии перечислены в табл. 4.

В результате нагрева охлаждающей воды на 10°С на конденсаторах турбин ГРЭС (конструктивно заданный параметр) в теплый канал начинает поступать подогретая вода, которая течет в сторону Дона, частично охлаждаясь по пути за счет теплообмена с атмосферой, интенсивность которого зависит от скорости ветра. Далее, преодолевая донный порог (уступ на дне) на выходе из канала 2, теплая вода попадает в Дон, и, как показывают расчеты, движется вниз по течению вблизи правого берега, постепенно остывая и смешиваясь с “холодной” водой реки. На рис. 2 представлены графики зависимости превышения средней по сечению температуры воды над водосливным порогом над естественной от расхода отводящего канала 2.

Из графика на рис. 2 хорошо видно, что результаты расчетов для всех сценариев без ветра ложатся на одну линию (верхнюю), а с ветром – на другую (нижнюю). Разница температуры остывания составляет от 2.4 до 1.1°С (с увеличением расхода воды по каналу она уменьшается из-за того, что скорость течения увеличивается). Отметим, что в силу однородности скоростного и температурного полей для течения в канале влияние ветра на охлаждение здесь проявляется наиболее существенно, а в реке или водохранилище оно в целом слабее. Далее рассмотрим изменение температурного поля по длине реки и водохранилища на участке ниже впадения отводящего канала. Результаты представлены в табл. 5.

На рис. 3 приведены графики зависимости максимальных на вертикалях в створе и средних по живому сечению превышений значений температуры воды над естественной в контрольных створах от расходов теплой воды, сбрасываемой с ГРЭС по каналу 2. Максимальные значения температуры в створе определялись на основе плановых картин температурных полей, средние по сечению – путем осреднения в заданном створе рассчитанных значений температуры на вертикалях по живому сечению потока с учетом глубины на каждой вертикали. По этим графикам можно определить превышение температуры в заданных створах при любом расходе канала 2 вплоть до максимального по проекту – 56 м³/с. Напомним, что по рыбоохранным требованиям, в створе, расположенном в 500 м ниже точки сброса нагретой воды в водоем (створ 1), превышение температуры над естественной не должно быть >5°С.

Анализ графиков на рис. 3 показывает, что для средних по створам значений температуры это ограничение выполняется с большим запасом для всех сценариев.

Если же считать, что рыбоохранное ограничение применяется к максимальной в створе температуре (что не совсем логично, поскольку рыба может выбрать участки водохранилища с более прохладной водой), то должны быть введены ограничения на сбросные расходы ГРЭС по каналу 2, а именно:

24 м³/с при работе Багаевского водохранилища с НПУ = 2.0 в основном режиме эксплуатации с расходом по реке 250 м³/с и штилевых условиях;

35 м³/с при работе Багаевского водохранилища с НПУ = 2.0 в основном режиме эксплуатации с расходом по реке 250 м³/с и среднемесячном ветре 3 м/с;

42 м³/с при работе Багаевского водохранилища с НПУ = 2.0 с расходом по реке 440 м³/с в условиях штиля;

50 м³/с при работе Багаевского водохранилища с НПУ = 2.0 с расходом по реке 440 м³/с и среднемесячном ветре 3 м/с.

Анализ графиков рис. 3 также показывает, что в бытовых условиях термический режим немного хуже, чем при наличии водохранилища, т. е. для всех возможных режимов работы ГРЭС в замыкающем створе плотины Багаевского гидроузла температура в бытовых условиях будет выше, чем при наличии водохранилища, но не будет >1°С с учетом выписанных выше ограничений на расходы канала 2 (которые в действительности для летнего периода всегда выполняются). Сказанное позволяет не рассматривать температурные поля в реке ниже Багаевского гидроузла. Следует также отметить отсутствие в бытовых условиях и при НПУ = 2.0 явления тепловой накачки системы внешнего охлаждения ГРЭС, заключающегося в том, что часть подогретой воды попадает снова в подводящий канал, увеличивая тем самым температуру охлаждающей воды и, как следствие, температуру сбрасываемой воды. Это явление генерируется искусственным образом в зимних условиях с помощью сифонного водосброса из канала 2 в подводящий канал с целью исключить в последнем явления льдообразования.

Согласно рыбоохранным требованиям, общее повышение температуры воды в водохранилище должно быть до ≤28°C летом и 8°C зимой. Очевидно, в рассматриваемом случае для условий руслового водохранилища это можно трактовать как непревышение средней температурой в поперечных сечениях русла (водохранилища) означенной величины 28°С в летний период и 8°C в зимний. Поскольку зимой в Дон попадает очень незначительное количество теплой воды из канала 2 (через сифонный водосброс производится переток нагретой воды непосредственно в подводящий канал ГРЭС), постольку последнее требование выполняется.

Для летних условий работы НчГРЭС средние превышения температуры воды над естественной в ряде поперечных сечений приведены выше. Для определения фактических расчетных значений температуры к величине превышения температуры добавлялись естественные расчетные значения температуры воды для жаркого месяца (июль) жаркого года обеспеченностью 95% (25.2°С из табл. 2) и жаркого месяца (июль) среднего года обеспеченностью 50% (23.8°С из табл. 3). В результате были построены графики распределения расчетных значений температуры по длине Багаевского водохранилища при НПУ = 2.0 мБС и для бытовых условий (рис. 4, 5). При этом использована средняя для июля скорость ветра 3 м/с, поскольку ветер по статистике дует 84% времени (направление, как уже отмечалось выше, в этом случае несущественно). Из рис. 4 видно, что для среднего года и для максимального сбросного расхода теплой воды по каналу 2, равному 56 м³/с (который летом никогда не реализуется), температура в первом створе в 500 м от водосброса канала 2 на ~1°С ниже, чем предельно допустимая, а к створу Багаевского гидроузла эта разница увеличивается до 3°С.

На графиках рис. 4, 5 представлены распределения температуры по продольному профилю (вдоль русла реки) от водовыпуска нагретой воды из канала 2. На этих графиках для разных сценариев выше всегда расположена та кривая, что соответствует бытовым условиям. Таким образом наглядно продемонстрировано, что строительство водохранилища улучшит, хотя и незначительно, термический режим Нижнего Дона. Парного графика к самому верхнему продольнику нет, поскольку для ГРЭС не предусмотрен максимальный сброс 56 м³/с нагретой воды по каналу 2 в бытовых условиях при расходе по реке 250 м³/с (при этом не обеспечивается пропускная способность подводящего холодного канала).

Представленное на рис. 4, 5 распределение температуры воды по длине Багаевского водохранилища при разных режимах работы ГРЭС и разных гидрометеорологических условиях может быть использованo для прогнозирования качества воды и решения других гидроэкологических задач.

ВЫВОДЫ

В результате выполненных исследований на основе детальной батиметрии Багаевского водохранилища и подводящего и отводящего каналов НчГРЭС построена компьютерная гидротермическая модель и проведены вариантные расчеты температурных режимов Багаевского водохранилища с учетом разных режимов работы НчГРЭС и разных гидрометеорологических условий (всего 14 сценариев).

Получены следующие основные результаты:

время полного установления стационарного теплового режима в системе Багаевское водохранилище – каналы НчГРЭС при стационарных краевых условиях составляет 5 сут;

ветер оказывает существенное влияние на температурный режим водохранилища, понижая температуру воды по сравнению со штилевыми условиями; при этом определяющий фактор – скорость, а не направление ветра; основные расчеты проводились для штиля и ветра юго-западного направления 3 м/с, характерного для месяца июля;

при подпоре в летних условиях эксплуатации от Багаевского гидроузла не происходит возвратного проникновения нагретой воды, сбрасываемой в Дон по каналу 2, в подводящий канал ГРЭС; таким образом, не происходит “тепловой накачки” системы внешнего охлаждения ГРЭС и на конденсаторы турбин из подводящего канала подается вода, имеющая естественную температуру воды Дона – как в бытовых условиях;

температура воды, сбрасываемой в водохранилище по каналу 2, зависит от величины нагрева (10°С) на конденсаторах турбин, расхода сбрасываемой воды и скорости ветра,

для всех режимов работы ГРЭС средняя (по поперечному сечению) температура воды в контрольном створе 1, расположенном в 500 м ниже точки сброса нагретой воды в водоем, не превышает естественную температуру воды на >3.7°С, что удовлетворяет рыбоохранным требованиям – 5°С;

Для всех возможных режимов работы ГРЭС на всем протяжении от места сброса из канала 2 до створа гидроузла средние по сечениям значения температуры воды в бытовых условиях будут немного выше, чем при наличии водохранилища, т.е. водохранилище не ухудшает температурный режим Дона.