Плотины и их польза для человека

Почему на одной реке появляются огромные плотины, а на другой – нет? Почему в одних странах водохранилища затапливают огромные площади плодородной земли, а в других размеры водохранилищ стараются сократить до минимума? С точки зрения координатора программы экологизации промышленности
Центра охраны дикой природы Игоря Шкрадюка, объяснение этому можно найти не только в гидрографии и технологии, но и в уровне защиты прав человека в каждой конкретной стране.

О высоконапорных и низконапорных плотинах

До 20 века почти все плотины были низконапорными – с перепадом высот 0,2-2 м.

Для того чтобы сравнить высоконапорные и низконапорные плотины на равнинных реках, разберем причины выбора в пользу тех или других в первой половине 20 века и сейчас, в 2013 году, по каждой функции плотин (выделены курсивом).

1. Получение механической работы. Выработка электроэнергии.

Использование энергии падающей воды известно с 2 века до новой эры. До появления промышленных электрогенераторов и линий электропередачи валы и ремни нельзя было протянуть далеко, поэтому водяные колеса ставили часто, плотины были небольшими, мощность водяных колес соответствовала потребности предприятия.

С появлением ЛЭП стало возможным ставить мощные гидроэлектростанции вдалеке от потребителя. Что было очень важно, удельная стоимость гидроагрегата (турбины с генератором), была тем ниже, чем выше напор. Когда цена электрооборудования была высока по сравнению со стоимостью земляных и даже бетонных работ, выгоднее было поднять плотину повыше. Для напоров меньше 6 метров вообще не было мощных гидроагрегатов.

Развитие машиностроения и электротехники позволило строить экономически состоятельные и экологически менее ущербные русловые ГЭС, а пиковую мощность получать на ГАЭС.

Разработка недорогих ортогональных гидротурбин, способных работать в диапазоне напоров 0,5 -6 м, позволила вырабатывать электроэнергию на плотинах любой высоты.

Современные технологии позволяют строить низконапорные плоти с очень малым расходом материалов (мембранного, мембранно-контрфорсного типа).

2. Орошение и водоснабжение.

До большой электроэнергетики вода на поля (и в города по водопроводу) за редким исключением подавалась самотеком либо с помощью мускульной силы. Чтобы оросить бОльшую площадь полей, нужно было забрать воду с более высокого уровня.

Электрические насосы резко изменили дело. Проще поднять воду по более кроткому пути. С другой стороны, капельное орошение требует намного меньше воды, чем арычное и трубки вместо каналов.

Кроме того, во многих случаях вместо полива можно вывести и использовать более засухоустойчивые сорта.

Для орошения также нужно накопить в водохранилище паводковую воду и использовать ее в течение сезона. Но для получения заданного полезного объема водохранилищ нет принципиальной разницы – строить одну большую плотину или несколько маленьких.

3. Борьба с паводками.

Важнее не размер плотин, а максимальный объем паводкового стока, безопасная пропускная способность реки (канала) и полезная емкость водоудержания. Удерживать воду могут не только водохранилища, а также леса и болота.

Для уменьшения ущерба от паводка высота одной плотины непринципиальна (за исключением лавин и селей, но о горах отдельный разговор). Наоборот, при чрезвычайном паводке, грозящем разрушением плотин, большая плотина опаснее.

4. Поддержание судоходных глубин.

Для подержания судоходства высота плотины выше глубины судового хода вообще не нужна. Исторически судоходство поддерживалось небольшими плотинами.

Небольшие плотины, правда, увеличивают число шлюзов. Замедление технической скорости судов компенсируют четким графиком прохождения шлюзов.

Во многих случаях есть альтернатива плотине – судоходный канал или углубление русла земснарядом.

Небольшие плотины для поддержания судоходных глубин редко вызывают протесты местно населения и экологов. Между Москвой и Рязанью на Москве и Оке есть несколько плотин и шлюзов, по поводу которых экологи вообще молчат.

5. Мосты.

Плотины часто являются и мостами. Мосты через реки нужны намного чаще, чем ГЭС.

Совмещение моста и плотины – обычное дело.

6.Отдых на берегу.

Для отдыха на берегу воды размер водоема редко имеет значение больше десятков метров и глубина больше двух метров.

Для получения пруда на мелкой речке совсем необязательно вообще делать плотину. Водоем можно выкопать (или вычерпать земснарядом).

Длина береговой линии (во многих случаях определяющая емкость зоны отдыха) обычно больше у нескольких небольших водоемов, чем у одного большого, и обычно лишь уменьшается при затоплении водохранилищем части русел рек.

7. Рыбоводство.

Для разведения рыбы больше водохранилища совершенно не нужны. В Южно-чешском крае есть 7 000 прудов, общая площадь которых составляет более 30 000 гектаров (то есть средний размер пруда немногим больше 4 гектаров). В этих прудах разводят карпов. Один пруд приходится на 1,5 кв. км суши.

Обычно гидрорежим водохранилища, выгодный для энергетиков, губителен для рыбы. Поэтому целесообразно разделять водоемы с энергетическими и рыбохозяйственными функциями.

8. Управление гидроузлом и энергосистемой.

Объединение электростанций и потребителей в сеть имеет слишком большие преимущества. Вручную легче управлять мощностью одной большой электростанции в энергосистеме, чем многих маленьких.

Появление «умных сетей» изменило положение. То же самое касается управлением водным режимом множества плотин для снижения последствий паводка.

9. Разбавление загрязненных стоков.

Популярный аргумент для середины 20 века. С тех пор философия ПДК ушла в прошлое. Ответственные общества стремятся снизить общий объем сбросов загрязняющих веществ. Следовательно, нет необходимости держать в водохранилищах много воды для разбавления стоков.

10. Престиж. Возможность масштабного воровства.

Важные аргументы для верхушек авторитарных государств, чтобы затевать гигантские стройки.

Как мы видим, большие плотины не имели значительных преимуществ перед малыми во всех сферах использования, кроме гидроэнергетики. А важнейший аргумент энергетиков – отсутствие низконапорных гидроагрегатов — в самые последние годы пал.

Поэтому неудивительно, что президент Башкирии Рустэм Хамитов не так давно выступил за низконапорные плотины на равнинных реках.

Как обеспечивается надежность плотин?

Надежность плотин требует качественного проектирования и строительства и постоянного поддержания плотины в исправном состоянии.

В капиталистических государствах с развитой правовой системой надежность плотин поддерживается двумя главными механизмами:

• 1) страхованием гражданской ответственности владельцев опасных объектов,
• 2) работой государственных органов надзора при внимании независимой прессы и гражданских организаций.

Тот факт, что в ЕС, США, Канаде нет специальных НКО, занимающихся безопасностью плотин, означает, что работа указанных механизмов общество устраивает.

Почему малые плотины в России менее надежны?

Понятно, большие плотины опаснее малых. В России опасность малых плотин вызвана их бесхозностью, отсутствием субъектов, отвечающих за поддержание плотин в надлежащем состоянии.

На территории Российской Федерации насчитывается значительное количество низконапорных гидроузлов (по разным оценкам около 30-40 тысяч). Это около 70 % от общего числа водохозяйственных объектов страны. В отличие от объектов более высокого класса, за которыми, как правило, ведется надлежащий контроль, аварии на низконапорных гидроузлах происходят чаще и приносят значительный ущерб.

Большая часть речных низконапорных гидроузлов (около 60%) является бесхозяйными или принадлежит собственникам, у которых отсутствует возможность оплаты комплекса мероприятий, обеспечивающих их безопасность (бывшие колхозы, совхозы, ставшие АО, ООО и т.п.). Множество плотин на балансе колхозов и др. организаций были списаны в 90-е годы. Налог на имущество оказался неподъемен для владельцев неэнергетических плотин.

Бюджетное финансирование содержания плотин было недостаточным как в СССР, так и в постсоветской России.

При этом в государствах с развитой правовой системой практически вся недвижимость имеет своего владельца. Государство там также несет ответственность за ущерб, нанесенный по его вине.

Если плотина разрушится, владелец отвечает перед всеми, кто пострадает от прорыва воды. Поэтому она заинтересован застраховать свою ответственность. А страховая компания проверяет состояние плотины.

При этом если через плотину, пройдет чрезвычайный паводок (а сама плотна устоит), владелец плотины за последствия паводка не отвечает.

Интересно, как инструмент, созданный для обслуживания капиталистической торговли (страхование), используется и в других целях, в данном случае безопасности третьих лиц. Для повышения безопасности использовано огромное количество экономических институтов капитализма. Необходима огромная работа, чтобы создать новые механизмы безопасности для будущего посткапиталистического общества.

Насколько плотины позволяют снизить ущерб от наводнений?

Сначала следует разделить причины ущерба:

1. ущерб от временного затопления земли и строений (контакта с водой),
2. ущерб от механического действия потока воды,
3. гибели людей и животных (утопления)

Рассмотрим и по отдельности.

1. Затопление поймы рек весной – обычное дело. И все, что строится в пойме, должно выдерживать затопление на месяц так же легко, как и заливные луга.

Увы, лишь малая часть дорог, электрических, газовых, водопроводных, канализационных сетей в России пригодна в работе в условиях затопления.

В Венеции наводнения вследствие ветрового нагона воды с моря или речных паводков бывают почти ежегодно. Город к ним приспособился. Соленая вода намного агрессивнее пресной, быстрее разрушает металлоконструкции и фундаменты домов. Тем не менее, работают освещение и водоснабжение. Когда воды по колено и выше, постояльцам отелей выдают резиновые бахилы.

2. Для предотвращения ущерба от механического действия потока воды следует обеспечить пропуск большого потока так, чтобы он не приводил к разрушениям.

У меня нет детальных сведений по всей Европе, есть лишь по бассейну Эльбы и Одера. Данные точные: это результат армейской инженерной разведки.

В холмистой местности большинство небольших рек и ручьев протекают в каналах и канавах с высотой откосов 1-2 м. Увеличение стока в десятки раз не приводит к разливу воды.

Эльба в среднем и нижнем течении, ее крупные равнинные притоки окружены дамбами. Ширина Эльбы у Магдебурга примерно как Волги у Рыбинска при бОльшей скорости течения. В результате в межень поддерживается судоходная глубина, в паводок основной поток идет между дамбами. При этом во многих местах дамбы не сплошные, и вода разливается по пойме за пределами дамб. Изгибы русла спрямлены судоходными каналами, сокращающими путь воде и судам.

Скорость потока в основном русле, окруженном дамбами в разы выше, чем в пойме. За счет эффекта Бернулли высота воды в потоке может быть на 60-80 см выше, чем в пойме.

Пойма Одера в нижнем течении ограждена дамбами. В паводок вода идет по всему пространству между дамбами. Строительство в затапливаемой пойме запрещено.

В верхнем течении Эльбы в августе 2002 года произошло наводнение. Десятки тысяч людей было эвакуировано, около 30 000 домов было разрушено или повреждено водой. Двадцать человек погибло; около 750 км улиц, 540 км железнодорожных путей и 180 мостов были полностью разрушены. В Дрездене уровень реки Эльбы поднялся 17 августа 2002 года на 9,40 м выше обычного уровня. Такой силы наводнение было 500 лет назад (обеспеченность 0,2%).

Наводнение показало, что при чрезвычайно большом и редком паводке никакие плотины не спасут. Более того, разбор полетов показал, что для того чтобы быстрее пропустить воду Эльбы, следовало взорвать ряд дамб.

Увы, народная жадность к захвату и застройке земли приводит к тому, что поймы, предназначенные для пропуска паводка, часто застроены. Яркий пример – власти Крымска в 1990-е годы разрешили строить в естественной зоне скопления избыточных вод реки Адагум.

Также важно, с какой скоростью вода стекает вниз. Вырубка лесов и распашка земель, твердое покрытие больших площадей сильно ускоряет сток и приводит к бурному росту потоков в реках и оврагах. Наоборот, леса и заросшие болота задерживают сток, растягивая и снижая паводок.

В степной части России можно делать водозадерживающие дамбы в оврагах (не создающие постоянных водоемов), растягивающие время стока воды.

3. Для спасения людей и наземных животных нужна возможность добраться до возвышенностей или высоких прочных зданий (для людей). Очень опасны старые деревья, маленькие легкие дома, которые сносит потоком, обрывистые берега над поймой, холмики, которые превращаются в затапливаемые острова. Там нужна возможность перебраться на более высокое и твердое место.

Почему в Европе не строят больших плотин?

Потому что вся земля кому-то принадлежит. Создатель водохранилища должен компенсировать хозяину земли потери от затопления.

Основным средством защиты от паводка материальных ценностей стало экономическое (страхование), а не инженерное (плотины). Хотя плотины тоже используются.

Гораздо в бОльших масштабах плотины в Европе используются для поддержания уровня воды в реки и глубины (для судоходства). Классификацию европейских внутренних водных путей и глубины см. https://danube.riverships.ru/008-4.htm.

Постоянный уровень воды позволяет делать более низкие набережные, постоянную высоту причалов, снижает повреждение зданий и мостов. Например, в Праге были построены плотины, поддерживающие постоянный уровень воды у Карлова моста (чтобы снизить износ опор моста).

Типичный напор воды на плотинах, поддерживающих судоходные глубины в равнинных реках Германии – метр, максимум два.

В СССР площадь затопления на 1 кВтч выработанной электроэнергии в 3,5 раза выше, чем в мире. Причем ГЭС 1920-х годов (ДнепроГЭС, Волховстрой) имели узкие водохранилища долинного типа. Планирование затопления огромных территорий началось с 1933 года, когда проекты трех ГЭС на верхней Волге (Ярославской, Мышкинской и Калязинской) с узкими водохранилищами заменили двумя (Угличское и огромное Рыбинское). Такое отношение к затоплению населенных земель и насильственному переселению людей стало возможным после «окончательной победы социализма», сопровождавшейся раскулачиванием и коллективизацией, голодомором, чисткой ВКП(б).

Огромные водохранилища строили и строят в Китае. «Большой скачок» и «культурная революция» сделали возможным такое же отношение к людям, как в СССР 1930-х годов.

В отличие от СССР и Китая, в социалистический период истории Восточной Европы больших плотин не строили.

Максимальный объем водохранилищ: в ГДР — 0,2 куб. км, в ПНР — 0,5, в ЧССР — 0,7 куб. км, а площадь — соответственно 14, 70 и 48 кв. км. Глубина не более 50—60 м (исключение — Рапп- боде, Хоэнварта в ГДР, Солина в ПНР, Орава, Орлик в ЧССР — до 100 м), дли — до 12 км в ГДР и до 15—20 км в ПНР; в ЧССР более значительна протяженность водохранилищ на Влтаве, созданных высокими плотинами: Орлик — 68 км, Липно-1 — 48, Слапи — 44 км (все эти водохранилища имеют ширину меньше 1 км).

Общая площадь водохранилищ в ГДР оценивается в 160 кв. км, в ПНР — 600, в ЧССР — 350 кв. км. https://e-hrm.ru/kaskad_na_r_vltave-2.html

Самое большое водохранилище Восточной Европы – Джердапское на Дунае, образованное ГЭС «Джердап I» («Железные ворота»). Длина водохранилища (озера Джердап) более 100 километров, а ширина в самом широком месте достигает 8 километров. Максимальная глубина — 100 метров. Площадь 253 км?. Мощность ГЭС — 2234 МВт (первоначально 2136 МВт), среднегодовая выработка — 11,3 млрд. кВт·ч. https://ru.wikipedia.org/wiki/Джердап_I

По мощности ГЭС «Джердап I» чуть меньше Куйбышевской и Волжской ГЭС, по выработке чуть больше, а площадь водохранилища в 24 раза меньше Куйбышевского и в 12 раз меньше Волжского.

На 1 кв. км. зеркала водохранилища ГЭС Джердап I вырабатывает электроэнергии в 11 раз больше Братской ГЭС, в 4 раза – Усть-Илимской, в 5 раз – Красноярской, и на четверть больше Саяно-Шушенской. Поскольку каждый клочок затапливаемой земли надо выкупать, то гидроэнергетики в Европе очень ограничены в своих аппетитах.

Кроме Китая и России, в 21 веке большие ГЭС строят еще Вьетнам (по российским проектам) и южноамериканские режимы.

Мы видим, что размеры плотин и водохранилищ существенно зависят не только от технологии, но и от уровня защиты прав человека.

Игорь Шкрадюк,
специально для «Плотина.Нет!»