СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ НАГРУЗКИ НА ПОДПОРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ ЦИМЛЯНСКОГО ГИДРОУЗЛА
METHOD TO REDUCE LOAD AT RETAINING STRUCTURES OF TSIMLYANSKIY WATER-ENGINEERING SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к области оптимизации проектных решений при выборе вариантов надежного обеспечения нормальных условий судоходства по водохранилищам, образовавшимся в результате строительства подпорных плотин на реках, а также на участках этих рек между водохранилищами в условиях неустойчивого притока воды с водосборной площади бассейна.
Уровень техники
«Национальная программа действий по совершенствованию и развитию водохозяйственного комплекса России на перспективу до 2015 года «Вода России, 21 век», которая сдана в Министерстве природных ресурсов России 8 февраля 2003 года, предусматривает по Цимлянскому водохранилищу только берегоукрепительные работы (1). 27 февраля 2003 года в г. Волгодонске Ростовской области был принят «Волгодонский меморандум», который отразил мнение участников рабочей встречи - Волгодонской «Гражданской ассамблеи», Межрегионального общественного движения «За безъядерный Дон» и Волгодонской ассоциации потребителей в рамках проекта Международной общественной организации «Экология» по проблеме сохранения и восстановления Цимлянского водохранилища (2). Цимлянское водохранилище, по мнению участников встречи, испытывает жесточайший прессинг: за 2002 год по нему прошло почти 7 тысяч судов, больше половины из них - нефтеналивные; в акватории водохранилища постоянно находятся почти 500 судов, есть зафиксированные залповые сбросы с судов нефтесодержащих вод, за последние 10 лет уровень загрязнения воды стал превышать от 4 до 26 раз установленные предельнодопустимые концентрации нефтепродуктов в воде водохранилища. Через два года после опубликования «Волгодонского меморандума» директор Донского бассейнового водного управления Федерального агентства водных ресурсов Вадим Никаноров в интервью радиостанции «Эхо Ростова» констатировал: «В районах, прилегающих к Цимлянскому водохранилищу, очень развиты процессы заболачивания земель; активно идет процесс разрушения береговой линии водохранилища» (3).
Ситуация в акватории Цимлянского водохранилища осложняется также и в связи с тем, что оно является основным регулирующим водоемом в бассейне реки Дон. Например, в обзоре Министерства природных ресурсов «О режиме работы Цимлянского водохранилища» (4), опубликованном 2 декабря 2008 года, было отмечено, что «… в условиях пониженной водности в период половодья 2008 года с 26 февраля по 6 июня приток воды к Цимлянскому водохранилищу составил 9,23 кубокилометров (82% нормы), максимальный расход во входном створе величиной 1900 кубометров в секунду наблюдался 25-28 марта; водохранилище было наполнено до отметки 35,63 метра по Балтийской системе высот 20-31 мая. Судоходные глубины на Нижнем Дону поддерживались за счет подпора от гидроузлов и попусками из Цимлянского водохранилища по 410 кубометров в секунду (нормальный судоходный попуск), а в условиях жаркого засушливого лета попуск с 3 июля по 30 сентября был увеличен до 470 кубометров в секунду, что поддерживало надлежащую санитарно-эпидемиологическую обстановку в местах водозаборов на Нижнем Дону. Расчетная отметка уровня воды на конец 2008 года 33,7 метра но Балтийской системе высот, что вписывается в параметры (33,5-34,0 метра), установленные «Основными положениями правил использования водных ресурсов Цимлянского водохранилища».
О важности сбережения водных ресурсов для жителей Нижнего Дона свидетельствует сообщение агентства «Интерфакс-Юг» от 25 марта 2008 года (5): «… во Всемирный день воды 22 марта в Ростовской области стартовала Всероссийская природоохранная акция «Дни защиты от экологической опасности»; акция проводится с 1993 года для объединения усилий органов управления, научных учреждений, граждан и общественных организаций в сохранении окружающей среды и улучшении ее состояния. По сообщению председателя комитета по охране окружающей среды и природных ресурсов областной администрации Григория Скрипки, из 387 действующих плотин 40% не имеют баланс содержателя и сложившаяся ситуация может представлять опасность в многоводные годы и периоды паводков. А руководитель Донского бассейнового водного управления Федерального агентства водных ресурсов Вадим Никаноров обратил внимание на то обстоятельство, что в последние два года приток воды в Цимлянское водохранилище меньше нормы: в 2007 году в водохранилище поступило 6 кубокилометров воды при норме 11 кубокилометров, прогноз на 2008 год - не более 10 кубокилометров воды; ситуация усугубилась также из-за незапланированного перерасхода воды водохранилища осенью 2007 года в условиях катастрофической навигационной обстановки в Азовском море, когда производили повышенный сброс воды из водохранилища для того, чтобы суда могли выйти из моря и укрыться в устье Дона. По сообщению телекомпании «Дон-ТР» (6), которое было выдано в эфир 12 мая 2009 года, «… по причине маловодности небольших рек, впадающих в Дон, уровень воды в Цимлянском водохранилище понизился, а это создает реальную угрозу для нереста рыб. Из-за погодных условий в бассейне Дона практически не было стоков от талых вод. Заместитель руководителя Донского бассейнового водного управления Федерального агентства водных ресурсов Наталья Березовская отметила в своем интервью: «… выполненные управлением расчеты режима работы водохранилища до конца года подтверждают необходимость снижения навигационных сбросных расходов водохранилища от нормального до гарантированного; при этом выработка электроэнергии на Цимлянской ГЭС также будет сокращена».
При сравнении всех возможных вариантов воздействия на акваторию Цимлянского водохранилища непременным условием является решение проблемы обеспечения водой систем охлаждения паровых турбин атомной электростанции, расположенной вблизи от береговой линии. Из-за того что в Цимлянском водохранилище наблюдаются большие сезонные колебания его уровня, а для устойчивой работы атомной электростанции необходим постоянный уровень воды в питающем водоеме, пруд-охладитель площадью 18 квадратных километров был отделен от акватории водохранилища намывной песчаной дамбой распластанного типа. В верхней части эта дамба имеет ширину около 20 метров, а в основании ее ширина достигает 140 метров. Актуальность решения проблемы обеспечения водой систем охлаждения паровых турбин атомной электростанции в начале 21 века такова, что представляется целесообразным считать ее первоочередной, в особенности с учетом ввода трех новых блоков атомной электростанции в Волгодонске. Основанием для такого вывода является ответ на запрос «Законодательного Собрания Ростовской области», который подписали 1 марта 2007 года ученые Южного научного центра РАН Ю.М.Гаргопа и Н.Н.Погребнов (7): «… постановка вопроса о существующей потенциальной возможности прорыва плотины Цимлянской ГЭС не безосновательна. Причины возможной техногенной катастрофы кроются не только и не столько в угрозе террористических актов. Определенную опасность для целостности плотины могут представлять естественно-природные факторы, предотвратить которые невозможно - это современные геодинамические процессы: маломагнитудные землетрясения и вялотекущие смещения по глубинным разломам, наличие которых установлено в районе плотины и Ростовской АЭС. Коммулятивное действие подобных процессов во времени может реализоваться в виде ослабленных, трещиноватых зон в теле плотины и, как следствие, в образовании аномальных фильтрационных каналов и разрушении плотины…». Кроме этого, специалисты Южного научного центра РАН исследовали влияние работы атомной электростанции, расположенной на побережье Цимлянского водохранилища, на его загрязнение. На основе трехлетних наблюдений ученые пришли к выводу, что самый загрязненный участок акватории Цимлянского водохранилища находится у атомной станции. Создавая математическую модель загрязнения Цимлянского водохранилища, ученые учитывали скорость и направление ветра, а также степень увлажненности атмосферного воздуха. Руководитель проекта, ведущий научный сотрудник Южного научного центра РАН Алексей Чикин считает, что исследования необходимо продолжить на территории всего Нижнего Дона, так как загрязненная вода из Цимлянского водохранилища поступает в русло Дона и в Азовское море. В необходимости решения всего комплекса проблем Нижнего Дона убедились участники встречи в Волгодонске, подписавшие в феврале 2003 года «Волгодонской меморандум». В этом документе объективно оценена ситуация: «… латаются дыры без учета комплекса проблем всей гидротехнической системы Азово-Донского бассейна. Эта система создана 50 лет назад. В нее входят: судоходный Волго-Донской канал. Цимлянское водохранилище, ГЭС, Волгоградский гидроузел на Волге, каскад гидроузлов на Дону (Цимлянский, Константиновский и Николаевский), Воронежский на реке Воронеж, а также первое транспортное звено этого пути Азово-Донской морской канал, которому уже 75 лет. И все это не вечная благодать. Проблема «Ч» - есть ли будущее у Цимлянского водохранилища? У него много хранителей - хозяев и эксплуататоров. Только вот у хозяина этого гибнущего объекта, то есть у государства так и нет никакой комплексной программы по его сохранению. А без этого водного объекта вся гидросистема разрушится».
Для предотвращения дальнейшего разрушения земляной плотины Цимлянского водохранилища разработаны гидростроительные решения, которые гарантируют уменьшение нагрузки на плотину со стороны Цимлянского водохранилища путем понижения отметок его поверхности перед плотиной без прекращения крупнотоннажного судоходства по всей гидротехнической системе Азово-Донского бассейна, а также гарантируют подвод донской воды самотеком к водоему - охладителю Ростовской атомной электростанции.
Раскрытие изобретения.
Поддержание постоянного уровня воды в пресноводных акваториях, которые предназначены для пропуска судов класса «река - море», на всем протяжении Донского бассейна от шлюза №13 Волго-Донского канала до перехода судов в морские акватории с соответствующими глубинами осуществят за счет того, что всю воду, поступающую в Цимлянское водохранилище с водосборной площади выше устья правобережного притока Дона - реки Чир, разделят на два потока: поток в восточную часть Цимлянского водохранилища, где необходим постоянный уровень воды для безопасного судоходства даже в маловодные годы, и западный поток в большую часть акватории Цимлянского водохранилища, предназначенную для накопления запасов пресной воды сверх объемов, пропускаемых сквозь плотину Цимлянской ГЭС в русло Нижнего Дона, для обеспечения пресной водой населения, а также объектов производственно-хозяйственной деятельности.
Отсечение части акватории Цимлянского водохранилища с целью создания безопасных условий судоходства даже в маловодные годы, а также при возможном разрушении плотины Цимлянской ГЭС произведут за счет сооружения разделительной дамбы на участке между самой северной точкой мыса, находящегося вблизи от населенного пункта Веселый (вход в залив, образовавшийся при затоплении устьевой части поймы реки Аксай-Курмоярский у места ее впадения в Дон) до острова Кожевенный, который находится вблизи от существующего судового хода в заливе в устье реки Чир, образовавшемся при заполнении Цимлянского водохранилища в 1952 году. В коренных породах острова Кожевенный соорудят шлюз и водопропускную плотину. Замыкающий участок разделительной дамбы соорудят от острова Кожевенный до побережьея залива в устье реки Чир. Для предотвращения разрушения разделительной дамбы волнами со стороны Цимлянского водохранилища произведут отсыпку защитного вала из каменных пород придонских карьеров, а в теле самой разделительной дамбы установят ячейки заводского изготовления из материалов, которые способны сохранять свою прочность при многолетнем постоянном контакте с водой, например из алюминиевых сплавов. Размещение ячеек на дне Цимлянского водохранилища осуществят таким образом, чтобы места стыковки стенок ячеек в одном ряду были защищены стенками ячеек соседнего ряда. Отметки верхних деталей ограждающих конструкций ячеек, которые установят в средней части разделительной дамбы, доведут не ниже +40 метров (БС), то есть на 4 метра выше уровня воды в восточной части Цимлянского водохранилища, предназначенной для пропуска крупнотоннажных судов класса «река - море». После отсыпки защитного вала разделительной дамбы и установки на дно сблокированных рядов ячеек внутренние полости ячеек, а также зазоры между боковыми стенками крайнего ряда ячеек и телом защитного вала заполнят грунтом, добытым земснарядами при углублении дна восточной части Цимлянского водохранилища. Отметки дна восточной части Цимлянского водохранилища доведут от +26 метров (БС) под существующим судовым ходом вблизи от острова Кожевенный до +21 метра (БС) у южного берега залива Цимлянского водохранилища, в который в начале 21 века впадает река Аксай-Курмоярский, с нарастанием глубин от 10 метров до 15 метров. В случае недостатка намывного грунта для заполнения ячеек в теле разделительной дамбы, а также зазора между боковыми стенками крайнего ряда ячеек и телом защитного вала со стороны большей части (западной) акватории Цимлянского водохранилища доставят горные породы, изымаемые из русла судоходного канала Аксай-Сал, предназначенного для доведения донской воды от самой южной точки залива у устья реки Аксай-Курмоярский до долины реки Сал - левого притока Дона. На этом участке судоходного канала Аксай-Сал, в западном направлении от его русла построят Волгодонское ответвление, предназначенное для подвода воды к прудам-охладителям атомной станции вблизи Волгодонска и к водозаборам, через которые жители г. Волгодонска и оросительные системы в междуречье рек Дона и Сал, получат воду. На всем протяжении канала Аксай-Сал и в его Волгодонском ответвлении обеспечат поддержание уровня воды на отметке около +36 метров в Балтийской системе высот (БС). В нижнем бьефе Дубовского водохранилища в долине реки Сал, которое отделят от русла канала Аксай-Сал плотиной с глубинным водосбросом и с шлюзом для судов класса «река - море» обеспечат поддержание уровня воды на отметке ниже +24 метров (БС) для того, чтобы поверхностные стоки свободно принимались в акваторию Дубовского водохранилища. Накопление запаса воды в Дубовском водохранилище позволит обеспечить поддержание необходимого уровня воды в русле Семикаракорской ветви судоходного канала, которая предназначена для организации пропуска судов класса «река - море» из акватории Дубовского водохранилища в реку Дон после углубления русла реки Сал и сооружения водопропускной плотины и шлюзов вблизи места слияния реки Сал с рекой Доном. Из акватории Дубовского водохранилища также соорудят переход в русло самотечной Сальско-Манычской ветви судоходного канала, которая соединит Дубовское и Новопролетарское водохранилища, за счет чего создадут условия для обеспечения пресной водой жителей Дубовского, Зимовниковского, Орловского и Пролетарского районов Ростовской области. За счет постоянного подвода проточного пресноводного потока в акваторию Новопролетарского водохранилища обеспечат питание русла Егорлыкского судоходного канала, который соорудят в долине реки Егорлык - левого притока реки Западный Маныч. В месте стыковки территорий Краснодарского, Ставропольского краев и Ростовской области Егорлыкский судоходный канал разделят на две ветви: Азовскую ветвь, предназначенную для пропуска судов класса «река - море» в акваторию Азовского моря в обход Ростова-на-Дону с его подъемными мостами, и Черноморскую ветвь, предназначенную для соединения акватории Новопролетарского водохранилища с незамерзающим Черным морем. Примечательной особенностью Азовской ветви и Черноморской ветви судоходного канала является то, что в их русла с проточной пресной водой будут попадать засоленные грунтовые воды и загрязненные стоки с территории восточной части Приазовской низменности, которые будут опускаться в придонные слои воды в руслах судоходных каналов, а в долины равнинных рек, текущих в Азовское море, подадут пресную воду из верхних слоев судоходных каналов, решая за счет этого проблему обеспечения водой населения, проживающего на территории Приазовья.
Лучший вариант осуществления изобретения.
С учетом ситуации возможного прорыва плотины Цимлянской ГЭС, о чем предупредили ученые Южного научного центра РАН, в первоочередном порядке осуществят ввод в эксплуатацию гидротехнических сооружений, предназначенных для сохранения судоходства от шлюза №13 Волго-Донского канала до акватории Азовского моря через Ростов-на-Дону: это разделительная дамба с водопропускной плотиной и шлюзом на острове Кожевенный, судоходный канал Аксай-Сал с его Волгодонским ответвлением, Дубовское водохранилище вместе с двумя водопропускными плотинами и шлюзами в них, Семикаракорская ветвь судового хода от Дубовского водохранилища до водопропускной плотины с шлюзом вблизи от места слияния реки Сал с рекой Доном. Строительство указанных объектов не нарушит работу всех существующих сооружений, предназначенных для пропуска судов от шлюза №13 Волго-Донского канала через Цимлянский, Николаевский и Константиновский гидроузлы и далее по руслу Нижнего Дона мимо г. Ростов-на-Дону до Азовского моря; только на заключительном этапе, когда уже обеспечат подвод воды к г. Волгодонску по Волгодонскому ответвлению от канала Аксай-Сал, а также в Дубовское водохранилище и в русло Семикаракорской ветви судоходного канала, траекторию существующего судового хода по акватории Цимлянского водохранилища вблизи от острова Кожевенный скорректируют через шлюз на острове Кожевенный с целью создания условий для завершения сооружения разделительной дамбы. После прекращения пропуска крупнотоннажных судов по западной части акватории Цимлянского водохранилища понизят уровень воды перед плотиной Цимлянской ГЭС, за счет чего уменьшат напор воды на эту плотину, а у ученых Южного научного центра РАН и у специалистов по плотинам появится возможность разработать и осуществить мероприятия по уменьшению фильтрационных потоков сквозь тело плотины с целью повышения ее устойчивости к маломагнитудным землетрясениям и вялотекущим смещениям по глубинным разломам.
После начала пропуска судов от шлюза №13 Волго-Донского канала до г. Ростов-на-Дону в обход Цимлянского, Николаевского и Константиновского гидроузлов продолжат строительство гидротехнических сооружений от Новопролетарского водохранилища до Азовского и Черного морей: Егорлыкского судоходного канала, Азовской ветви судоходного канала и Черноморской ветви судоходного канала. Проектирование всех указанных гидротехнических сооружений произведут с учетом перспективы сооружения судоходного канала Евразия, который предназначен для обеспечения судоходства между Каспийским морем и Азово-Черноморским бассейном с использованием части Кумо-Манычской ложбины.
Источники информации
1. «Национальная программа действий по совершенствованию и развитию водохозяйственного комплекса России на перспективу до 2015 года «Вода России, 21 век», сдана в Министерстве природных ресурсов России 8 февраля 2003 года.
2. Протокол рабочей встречи специалистов по Цимлянскому водохранилищу 27 февраля 2003 года в Волгодонске «Через обеспечение экологической безопасности к устойчивому развитию. Проблемы сохранения и восстановления Цимлянского водохранилища».
www.echorostova.ru/news
3. Информация «Под угрозой разрушения пойма Цимлянского водохранилища в Ростовской области», размещенная 23 марта 2005 года на сайте .
4. Информация Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации от 8 декабря 2008 года «Режим работы Цимлянского водохранилища в 2008 году».
5. Сообщение агентства «Интерфакс-Юг» от 25 марта 2008 года о пресс-конференции по поводу старта Всероссийской природоохранной акции «Дни защиты от экологической опасности».
6. Информация телекомпании «Дон-ТР», выданная в эфир 12 мая 2009 года: «В Цимлянском водохранилище не хватает воды».
7. Ответ Южного научного центра Российской академии наук от 1 марта 2007 года на запрос Законодательного Собрания Ростовской области о возможности прорыва плотины Цимлянской ГЭС.