Экологические последствия аварий на гидротехнических и экозащитных сооружениях.
Гидротехнические сооружения предназначены для использования водных ресурсов для нужд человека, а также для борьбы с разрушительным воздействием водной стихии на жизнедеятельность человека. По своему предназначению гидротехнические сооружения подразделяются на водопроводные (плотины, дамбы и т. п.), водопроводящие (каналы, трубопроводы, тоннели и др.), регуляционные (полузапруды, ограждающие валы и т. п.), водозаборные, водосбросовые и специальные (здания гидроэлектростанций (ГЭС), шлюзы, судоподъёмники и др.).
В настоящее время на территории Российской Федерации эксплуатируется более 30 тыс. водохранилищ и несколько сотен накопителей промышленных стоков и отходов. Имеется около 60 крупных водохранилищ ёмкостью более 1 млрд м3.
К основным потенциально опасным гидротехническим сооружениям относятся плотины, водозаборные и водосбросовые сооружения и шлюзы.
Водозаборное сооружение – это гидротехническое сооружение для забора воды из источника питания (реки, озера, подземного источника) с целью использования её для нужд гидроэнергетики, водоснабжения или орошения полей.
Водосбросовые сооружения – гидротехнические сооружения, предназначенные для сброса излишней (паводковой) воды из водохранилища, а также пропуска воды в нижний бьеф. (Бьеф – часть водоёма, реки, канала. Верхний бьеф расположен по течению выше водонапорного сооружения (плотины, шлюза), нижний бьеф – ниже водонапорного сооружения.)
Шлюз – это сеть сооружений для подъёма или опускания судов с одного уровня воды (реки, канала) на другой. Наиболее крупные шлюзы имеют ширину свыше 30 м и длину до нескольких сотен метров.
Гидродинамические аварии на указанных сооружениях могут привести к катастрофическим последствиям, так как все эти гидротехнические сооружения располагаются, как правило, в черте или выше крупных населённых пунктов и являются объектами повышенного риска. Возникновение гидродинамической аварии на таком объекте может привести к катастрофическому затоплению обширных территорий и образованию зоны катастрофического затопления.
Запомните!
Гидродинамическая авария – это чрезвычайная ситуация, связанная с выходом из строя (разрушением) гидротехнического сооружения или его части и неуправляемым перемещением больших масс воды, несущих разрушения и затопления обширных территорий.
Зона катастрофического затопления – это зона затопления, возникшая в результате гидродинамической аварии, случившейся на гидротехническом сооружении, в пределах которого произошли массовые потери людей, сельскохозяйственных животных и растений, значительно повреждены или уничтожены здания и различные сооружения.
Гидродинамические аварии на гидротехнических сооружениях могут возникнуть вследствие действия сил природы (землетрясения, ураган, разлив, разрушение плотины паводковыми водами) или воздействия человека (нанесение ударов современными средствами поражения по гидротехническим сооружениям и диверсионных актов), а также из-за конструктивных дефектов или ошибок в проектировании и эксплуатации гидротехнических сооружений.
Это должен знать каждый
Основными последствиями крупных гидродинамических аварий являются:
o повреждения и разрушения гидротехнических сооружений, кратковременное или долговременное прекращение выполнения ими своих функций;
o поражение людей и разрушение сооружений волной прорыва, образовавшейся в результате разрушения гидротехнического сооружения и имеющей высоту от 2 до 12 м и скорость движения от 3 до 25 км/ч (в горных районах может доходить до 100 км/ч);
o катастрофическое затопление обширных территорий и значительного количества городов и сёл, объектов экономики, длительное прекращение судоходства, сельскохозяйственного и рыбопромыслового производства.
Статистика
В настоящее время гидротехнические сооружения на 200 водохранилищах и 56 накопителях отходов эксплуатируются без существенной реконструкции более 50 лет, а это увеличивает вероятность возникновения на них гидродинамических аварий.
По данным МЧС России
История знает несколько примеров катастрофических последствий аварий на гидротехнических сооружениях из-за разрушения плотины.
Если разрушается плотина, то вода с большой скоростью и напором устремляется вниз по течению реки. Образуется так называемая волна прорыва, которая и является основным поражающим фактором гидродинамической аварии.
Гидротехнические сооружения — это объекты, создаваемые с целью использования кинетической энергии воды (ГЭС), охлаждения систем в технологических процессах, мелиорации, защиты прибрежных территорий (дамбы), забора воды для водоснабжения и орошения, рыбозащиты, регулирования уровня воды, обеспечения деятельности морских и речных портов, для судоходства (шлюзы).
Следует различать такие понятия, как запруда, плотина, гидроузел. Запруда обычно создает подъем воды, но не имеет стока или он весьма ограничен. Плотина — сооружение, тоже создающее напор воды, но почти с постоянным ее стоком. Гидроузел представляет собой систему сооружений и водохранилищ, связанных единым режимом водопере-тока.
Весьма опасно разрушение плотин, так как при этом действуют два фактора: волна прорыва и зона затопления, каждый из которых имеет свою характеристику и для людей представляет опасность. Прорыв может произойти из-за воздействия сил природы (землетрясения, урагана, обвала, оползня), конструктивных дефектов, нарушения правил эксплуатации, воздействия паводков, разрушения основания, недостаточности водосбросов, а в военное время — в результате воздействия средств поражения.
При прорыве в плотине или в другом сооружении образуется проран, от размеров которого зависят объем, скорость падения воды и параметры волны прорыва — основного поражающего фактора этого вида аварий.
Разрушительное действие волны прорыва заключается главным образом в движении больших масс воды с высокой скоростью и таранного действия всего того, что перемещается вместе с водой (камни, доски, бревна, различные конструкции).
Высота и скорость волны прорыва зависят от гидрологических и топографических условий реки. Например, для равнинных районов скорость волны прорыва колеблется от 3 до 25 км/ч, а для горных и предгорных мест имеет величину порядка 100 км/ч. Лесистые участки замедляют скорость и уменьшают высоту волны. Прорыв плотин приводит к затоплению местности и всего того, что на ней находится, поэтому строить жилые и производственные здания в этой зоне запрещено.
Причины крупных аварий гидротехнических сооружений различны, но чаще всего они происходят из-за разрушения основания.
Введение
Родиной самых первых гидротехнических сооружений (ГТС) можно назвать Древний Египет, где до наших дней сохранились остатки одного из самых ранних гидротехнических сооружений – плотины Сад Эль-Кафар, которая была построена приблизительно между 2950 и 2750 гг. до н. э. Еще в древних цивилизациях жизненно важным фактором было управление водными ресурсами с целью обеспечения орошения и водоснабжения. Поэтому площадь водного зеркала создаваемых водохранилищ постоянно увеличивалась, а после 1915 г. стало возможным создание водохранилищ с площадью водного зеркала более 100 кв. км, в результате изменений в технологии земляных и бетонных работ, позволивших возводить крупные и сравнительно дешевые сооружения. Но бум гидротехнического строительства приходится на последние 30-40 лет, когда было построено более 85 % всех существующих в мире плотин.
Ежегодно на земном шаре вступают в эксплуатацию несколько сот новых водоемов – водохранилищ с общей площадью, превосходящей акваторию десяти Азовских морей. Сейчас не так уж много рек, на которых нет хотя бы подобного сооружения. Так, «в России построено и находится в эксплуатации свыше 3 тыс. водохранилищ». [1, с.1] Ежегодно в строй вступает от 300 до 500 новых водохранилищ. Многие крупные реки планеты – Волга, Ангара, Миссури, Колорадо, Парана и др. – превращены в каскады водохранилищ.
Однако создание водохранилищ имеет негативную сторону. С одной стороны, они объективно нужны для социально-экономического развития общества, для снабжения населения водой, продовольствием, энергией, в борьбе с наводнениями и т.д. С другой – оказывают отрицательное воздействие на природу и хозяйство речных долин выше и ниже створа плотин, а также являются источником возможной угрозы жизни населения, проживающего ниже створа гидроузла, и нанесению большого материального ущерба, т.е. являются потенциально опасными объектами.
Подпорные гидротехнические сооружения довольно надежны и долговечны – многие из них функционируют десятки и даже сотни лет. Однако материалы мировой статистики и события недавних лет свидетельствуют о том, что аварии на гидроузлах возможны, они могут привести к повреждению и разрушению плотин и примыкающих к ним сооружениям.
Последствия аварии водохранилища (например, прорыв большой плотины на реке) могут быть исключительно велики. В отличие от промышленных, транспортных и других сооружений, ущерб от аварий которых во многих случаях оценивается стоимостью восстановления разрушенных частей самого сооружения, ущерб от аварии подпорного гидросооружения обычно во много раз превосходит его стоимость. Это объяснятся тем, что при этом, помимо человеческих жертв, разрушаются и другие сооружения на реке и её берегах, парализуется деятельность предприятий целых районов, базировавшихся на данном гидросооружении, восстановление же последнего требует обычно ряда лет. Это обстоятельство заставляет считать гидросооружения весьма ответственными сооружениями, проектирование, строительство и эксплуатация которых требует исключительного внимания.
Как часто всё же происходит авария с гидротехническими сооружениями? «Французские специалисты дают такой ответ на этот вопрос. Начиная с VIII в. каждые 5 лет разрушалась 1 плотина. За сорокалетний срок, предшествовавший 1975 г., количество аварий значительно увеличилось и составляло примерно 1 катастрофу в среднем с 50 человеческими жертвами каждые 15 месяцев. Причиной этого является строительство всё более высоких плотин с большими водохранилищами в сложных природных условиях».
Гидротехнические объекты могут быть источником колоссальных бедствий и не по причине непосредственного разрушения сооружений. К примеру, спустя несколько лет после окончания строительства высотной плотины и заполнения водой водохранилища «Вайонт» в Италии, 9 октября 1963 г. 240 млн. куб. м меловых пород оторвались от горы Ток и сместились в водохранилище. Только 15 сек. понадобилось для полного заполнения грунтом чаши водохранилища, выплёскивания воды на противоположный склон на высоту 260 и 100 м над плотиной. Плотина осталась стоять, но… только мертвым памятником трём тысячам жертв, погибших в этой катастрофе. В результате разрушен г. Лонжерон.
Создание и эксплуатация водохранилищ вызывают также значительные изменения в природе и хозяйстве речных долин, на прилегающих к ним территориям, в долинах ниже плотин и в приустьевых участках морей и озер, в которые впадают зарегулированные водохранилищами реки. Однако следует отметить, что значительные или заметные изменения в окружающей среде вызывают преимущественно крупные и некоторые средние водохранилища. Влияние небольших и малых водохранилищ на природу и хозяйство территории, обычно невелико, а нередко и положительно.
«Проблема потенциальной опасности гидротехнических сооружений в Башкортостане весьма актуальна. В республике около 1500 различных гидротехнических сооружений; некоторые из них находятся в аварийном состоянии или просто бесхозными». [3, с. 13]
Так, 7 августа 1994 г. произошла авария на плотине Тирлянского водохранилища в бассейне реки Белой в РБ, когда после интенсивных дождей из-за изношенности механизмов не удалось открыть все отверстия берегового водосброса (работало только одно) и вода из переполненного водохранилища устремилась через гребень земляной плотины, которую разрушило в течение нескольких часов (семиметровая волна прорыва снесла поселок Тирлян, погибли 28 человек). В результате, жители населенных пунктов, расположенных в районе каких-либо ГТС, стали с некоторой опаской и паническим недоверием относится к данному виду сооружений на реках.
Как уже говорилось выше, бум строительства ГТС пришелся на последние 30-40 лет. В этот же период, с 1950 – 1961гг., были построены и ГТС Павловской ГЭС.
Павловский гидроузел был построен в целях комплексного использования водных ресурсов реки Уфы, с учетом перспективного развития энергопотребления, водоснабжения и судоходства. Водохранилище используется для перевозки пассажиров, сухогрузов, нефтепродуктов, леса, лесоматериалов и в целях рекреации. На его берегах расположено 11 учреждений отдыха: турбазы, базы отдыха, детские и спортивные лагеря.
В комплекс Павловского гидроузла входят водоподпорные, водопроводящие, судоходные и другие сооружения, повреждения которых могут привести к возникновению чрезвычайных ситуаций, поскольку от их надежности зависит не только работа Павловской ГЭС, но и функционирование хозяйственных и промышленных объектов региона. Ниже створа водоподпорных сооружений головного узла, в 5-10 км от створа, расположены населенные пункты Красный Ключ, Нижняя Павловка, Яман-Елгинский ЛПХ, Кировка.
Согласно статье 21 п.2 Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений» [4] принятого Государственной Думой 23 июня 1997 года «гидротехнические сооружения, которые находятся в эксплуатации при вступлении в силу настоящего Федерального закона, вносятся в Российский регистр гидротехнических сооружений в безусловном порядке без представления деклараций безопасности гидротехнических сооружений». Следовательно, гидротехнические сооружения Павловской ГЭС находятся в российском регистре ГТС с момента вступления в силу вышеупомянутого Федерального закона и на них распространяются требования, предъявляемые этим законом к ГТС.
Одним из требований к ГТС, предъявляемых Федеральным законом, является предоставление Декларации безопасности – основного документа, который содержит сведения о соответствии гидротехнического сооружения критериям безопасности. «Декларация необходима для организации контроля за соблюдением мер безопасности, оценки достаточности и эффективности мероприятий по предупреждению и ликвидации ЧС на промышленном объекте. Он является документом, где отражаются характер и масштабы опасностей на промышленном объекте и мероприятия по обеспечению промышленной безопасности и готовности к действиям в техногенных чрезвычайных ситуациях. Обязательному декларированию безопасности подлежат проектируемые и действующие промышленные объекты, имеющие в составе особо опасные производства, а также гидротехнические сооружения, хвостохранилища (отходы производств) и шлаконакопители, на которых возможны гидродинамические аварии». [5, с.7-8]
Учитывая вышеизложенное и во исполнение требований ФЗ «О безопасности ГТС», Павловская ГЭС была включена в перечень объектов электроэнергетики, подлежащих декларированию безопасности в 1998 году (совместный приказ Минтопэнерго России и МЧС России от 31 декабря 1997 г. №461/792), и к 29 сентября 1999 г. Декларация безопасности ГТС Павловской ГЭС была разработана.
Из сведений, представленных в декларации, можно сделать вывод, что гидротехнические сооружения находятся в работоспособном состоянии и условия их эксплуатации соответствуют действующим нормам и правилам. Уровень безопасности ГТС оценивается как «нормальный». Представленная информация о мерах по локализации и ликвидации чрезвычайных ситуаций, защите от них населения и территорий позволяет сделать вывод, что Павловская ГЭС готова в случае необходимости к ликвидации и локализации чрезвычайных ситуаций.
Павловская ГЭС имеет в необходимом объеме лицензии на осуществление видов деятельности, связанных с обеспечением безопасности. На гидроузле существует группа наблюдений за состоянием ГТС в количестве 3 человек, которая осуществляет надзор за безопасностью ГТС в объеме и сроки удовлетворяющие требованиям руководящих документов, а также спасательная группа в количестве 50 человек.
Однако проблема повышения устойчивости функционирования любых ГТС в современных условиях приобретает все большее значение в связи с:
· снижением трудовой и технологической дисциплины на всех уровнях;
· высоким производственным износом основных фондов, с одновременным снижением темпов их обновления (Павловская ГТС эксплуатируется уже более 40 лет, а фактическая реализация ремонтных работ сдерживается из-за финансовых возможностей ОАО «Башкирэнерго»);
· слабой нормативно-правовой базой, обеспечивающей страхование объекта на случай ущерба (договора страхования Павловской ГЭС на случай ущерба от стихийного бедствия не имеется, в связи с отсутствием нормативно технической документации по определению ущерба и страхования ГТС);
· отставанием отечественной практики от зарубежной в области использования научных основ проблемного риска в управлении безопасностью и предупреждением ЧС;
· повышение вероятности возникновения военных конфликтов и террактов.
В сценарии возможной аварии на гидроузле, изложенном в Декларации безопасности Павловской ГЭС, а также в результатах расчета возможного ущерба от этой аварии, уровень безопасности оценивается как нормальный, а возможный ущерб от аварии не подлежит обязательному учету для сооружений 2-го класса. Поэтому в дипломной работе расчет возможных последствий от аварии производился не по предложенному сценарию в декларации безопасности, а по сценарию с большой редкостью, а, следовательно, и ущербом.
Большая часть многих современных ГТС функционирует 20-30 лет (Павловский гидроузел – 40 лет). Это значит, что они входят в период «старения» и нуждаются в особом внимании. В связи с этим необходимо рассмотреть различные сценарии возможных аварий, в том числе опорожнение водохранилищ, предусмотреть оценку последствий и составление карт последствий разрушения ГТС (возможного прохождения волн прорыва), а также разработать рекомендации по оповещению и спасению людей.
В данном дипломной работе в разделе 1 представлены краткая информация о гидросооружениях, а также данные о различных авариях, произошедших на гидроузлах.
В разделах 2, 3 проведен анализ безопасности гидротехнических сооружений Павловской ГЭС, дано краткое описание Павловского гидроузла и рассмотрены уязвимые места гидротехнических сооружений Павловской ГЭС.
В разделе 4 рассмотрен вопрос сейсмоустойчивости ГТС, приведены основные принципы сейсмостойкого строительства различных типов плотин.
В разделе 5, 6 приведены сведения об имевших место аварийных ситуациях на Павловском гидроузле, сценарий возможной аварии на Павловском гидроузле, а также оценка величины ущерба.
В разделе 7 рассмотрены мероприятия по обеспечению безопасности объекта, а в Приложении проведен расчет прохождения волны прорыва и затопления местности в результате аварии на Павловском гидроузле с использованием программы «ВОЛНА 2.0».