Гидроэнергетика и орошение

Исключительно большое значение имеет вода как источник энергии. За несколько тысячелетий до нашей эры человек уже использовал проточную воду как движущую силу – на реках строили водяные мельницы. Однако промышленная гидроэнергетика получила развитие в XX в. И большую роль в этом процессе сыграла наша страна.

В 1926 г. вступил в строй первенец советской гидроэнергетики – Волховская ГЭС мощностью 58 тыс. кВт. вслед за Волховстроем были введены сотни гидроэлектростанций. В настоящее время Советский Союз занимает ведущее место в мире по запасам гидроресурсов.

Изменение режима рек, вызванное строительством ГЭС, не только не сокращает водных ресурсов, но, напротив, приводит к их аккумулированию в водохранилищах, которые по водному зеркалу часто соизмеримы с крупными озерами. Создание водохранилищ позволяет более рационально использовать водные ресурсы в различных отраслях промышленности, способствует широкому развитию обводнения в засушливых районах.

Только в СССР ныне насчитывается около 1000 водохранилищ объемом более 1 млн. м³. Аккумулированные в них запасы водной энергии оценивают в 775 млрд. кВт*ч, Три четверти из них находятся в восточной части страны, что имеет исключительно важное значение для осуществления намеченной партией программы развития производительных сил этого края. Мощные гидроузлы являются опорными пунктами быстрейшего освоения несметных природных богатств северо‑восточных районов. Так, на электроэнергии Братской ГЭС работает крупнейший в Сибири Коршуновский горно‑обогатительный комбинат, наращивают свои силы Братский алюминиевый завод и лесопромышленный комплекс. Усть‑Илимская ГЭС становится энергетической базой другого индустриального комплекса, в который входят горно‑обогатительные и целлюлозные комбинаты. Самая крупная в мире Саяно‑Шушенская гидроэлектростанция мощностью 6,4 млн. кВт, первые агрегаты которой вступили в строй в десятой пятилетке, послужит основой для формирования Саянского территориально‑производственного комплекса.

Как подчеркивалось в решениях XXV съезда партии, сооружение преимущественно крупных гидроузлов позволяет комплексно решать задачи производства электроэнергии, орошения земель, обеспечения водой городов и промышленных предприятий, развития судоходства и рыболовства, предотвращения наводнений. В этой связи важное значение имеет строительство Зейской, Бурейской и Колымской ГЭС на Дальнем Востоке, Днестровской ГЭС на Украине, Шульбинской ГЭС в Казахстане, Ингурской в Грузии, Шамхорской в Азербайджане, Курпсайской в Киргизии, Нурекской и Рогунской в Таджикистане. Одни из этих станций уже вступают в строй, на других работы только развертываются.

Огромно значение водохранилищ гидроэлектростанций и в водном хозяйстве страны. Построенные в бассейнах р. Волги, Днепра, Амударьи и Сырдарьи такие водохранилища создали предпосылки для орошения более 10 млн. га сельскохозяйственных земель. По водохранилищам осуществляется свыше 60 % всего объема водных перевозок в стране.

Какова главная задача гидроэлектростанций на Волге? Дело не только в том, что они вырабатывают 40 млрд. кВт*ч электроэнергии в год, не расходуя при этом ни грамма топлива. ГЭС еще играют роль регулятора, мобильного резерва. Нагрузка в сети Единой энергетической системы Европейской части СССР меняется, и порой очень быстро. Гидроэлектростанции отзываются почти мгновенно на резко возросшую потребность в электроэнергии.

Раньше главным показателем их работы было количество выработанной электроэнергии, киловатт‑часы. Теперь показатель другой – готовность к несению нагрузки. Но, чтобы поддержать состояния высокой готовности, нужно весной, в паводок, аккумулировать определенное количество воды в водохранилище, поднять ее уровень хотя бы до минимальных отметок.

В настоящее время для покрытия пиковых нагрузок строят гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). В вечерние часы в городе сильно возрастает потребление электроэнергии. Ему требуется столько электроэнергии, что специалисты говорят о вечерних часах «пик».

Но вот наступает разгрузка. И тепловые агрегаты, работающие на пределе в пиковые часы, вынуждены резко менять ритм. Оборудование болезненно переносит скачки в нагрузке от максимума до минимума, а «лечение» обходится дорого – только в Мосэнерго на ремонт блочного оборудования ТЭС в переменном режиме затрачивается около 15 млн. руб. ежегодно. Десятками тысяч тонн пережигается топливо. Причина та же – работа агрегатов в резкопеременном режиме. Крупные энергосистемы давно испытывают необходимость в своеобразном банке, куда бы можно было «положить» излишек, а при нужде обратится за помощью. Роль этих банков и отведена ГАЭС.

Несколько лет назад под Киевом вступила в строй первая подобная станция, правда, небольшая – у нее всего один агрегат. Сейчас сооружаются две крупные – Загорская в Подмосковье на р. Кунье и Кайшядорисская – на берегу Каунасского водохранилища.

Что же такое ГАЭС?

Технологически идея, на первый взгляд, проста: два сообщающихся бассейна расположены один над другим. Когда потребности в энергии снижены, например, глубокой ночью, вода из нижнего бассейна перекачивается в верхний. Это увеличивает энергопотребление и одновременно создает ее потенциальный запас. С наступлением часа «пик» воду из верхнего водохранилища спускают в нижнее, и агрегаты, еще недавно работавшие в насосном режиме, переключаются на режим простых гидроэлектростанций – турбинный.

Гибкие, способные к маневрированию станции – вот в чем главное достоинство ГАЭС. Как известно, нормативный срок окупаемости обычных ГЭС не менее восьми лет, а Загорская ГАЭС окупит затраты на ее сооружение в течение пяти с половиной лет.

Все агрегаты новой станции в конечном счете после освоения проектной мощности будут ежегодно давать столице 1,2 млрд. кВт*ч электроэнергии, тем самым значительно пополнят энерговооруженность города.

СССР – единственная в мире страна массового строительства мощных ГЭС на равнинных реках, где средние удельные размеры водохранилищ (поверхность затопления на единицу годовой выработки электроэнергии) в четыре раза выше, чем, например, в США. Один из основных экономических вопросов, связанных с этим строительством, было изъятие из сельскохозяйственного и других видов использования большой территории. Особое внимание при его решении пришлось обратить на проблему мелководных зон водохранилищ. Как известно, при максимальном уровне они покрыты водой, а при сработке ее запаса – осушаются. К тому же зоны эти очень велики, например, на Куйбышевском водохранилище они достигают 170 тыс. га, т. е. составляют около 40 % всей его площади.

Нелегко использовать в хозяйстве мелководные зоны. Годовой график их заполнения и осушения, обусловливаемый нуждами энергетики, ирригации, водоснабжения и транспорта, резко отличен от природного цикла весеннего затопления заливных лугов с быстрым спадом воды и последующим бурным ростом растительности на увлажненной и удобренной илом почве (этот цикл важен и для рыбного хозяйства: затопленные весной мелководья становятся нерестилищами, откуда после спада вешних вод мальки скатываются в реку). Потребители воды требуют значительно более длительного затопления мелководий и постепенного осушения их в течение осени и зимы. В результате разрастающиеся за лето на мелководье водоросли при осушке отмирают, загрязняя водохранилище гниющей массой. Эти неблагоприятные последствия можно устранить лишь частично, например выкашиванием и уборкой водорослей при осушке или изменением графика потребления воды с явным ущербом для ее использователей. Положение дополнительно усложняется тем, что в маловодные годы из‑за недостатка воды происходит осушение зон, целый ряд лет находившихся под водой.

При строительстве новых водохранилищ предусматривается защита мелководий путем отсечения их от основного хранилища дамбами. Водохранилище Чебоксарской ГЭС затопило около 54 тыс. га сельскохозяйственных угодий. Здесь надо отдать должное проектировщикам, потому что под водой могло бы оказаться гораздо больше сельхозугодий. Специальная инженерная защита, предусмотренная проектом, сохранит от затопления почти 26 тыс. га земли, в том числе 15 тыс. га сельскохозяйственных угодий. Следует отметить, что в зоне затопления окажутся в основном так называемые неудобные земли – заболоченные, сильно изрезанные, используемые только под выпасами и сенокосами.

Несмотря на невысокую продуктивность отчуждаемых под водохранилище земель, предусматривается в качестве компенсации провести коренную мелиорацию залесенных и заболоченных участков, и ввести их в сельскохозяйственный оборот. В целом намечено вновь освоить свыше 20 тыс. га под пашню, повысить продуктивность старопахотных земель, а также лугов и пастбищ. Словом, предусмотрено все, чтобы в будущем новое море не нанесло ущерба сельскому хозяйству.

Чебоксарский гидроузел с экономической точки зрения очень эффективен. Он сразу решает несколько народнохозяйственных задач: производство электроэнергии, улучшение судоходства и водоснабжения населения, промышленных предприятий, орошение земель, развитие рыболовства в бассейне Волги. Такое комплексное использование гидроузла позволит окупить вложенные в него средства за 5–6 лет, т. е. вдвое быстрее обычного срока, допустимого для такого вида строительства.

В сентябре 1970 г., на год раньше установленного срока, заработала на полную мощность – 2,7 млн. кВт – самая крупная в Средней Азии Нурекская гидроэлектростанция – энергетическое сердце Южнотаджикского территориально‑производственного комплекса. Воздвигнутый на бурной р. Вахше гидроузел имеет многоцелевое назначение. Его водохранилище емкостью 10,5 млрд. м³ образовано самой высокой в мире каменно‑набросной плотиной высотой 300 м, перекрывшей Пулисангинское ущелье. Ежегодно здесь будут вырабатываться свыше 11 млрд. кВт*ч электроэнергии. Водохранилище позволит орошать свыше 0,5 млн. га хлопковых полей на землях Таджикистана, Узбекистана и Туркмении. По 30‑километровому Дангаринскому тоннелю вахшская вода из водохранилища придет на поля знойной Гиссарской долины, где возделывается ценный длинноволокнистый хлопок.

Многоцелевое назначение энергоисполина на Вахше обеспечивает его высокую экономическую эффектность. За счет прибыли, уже полученной при выработке электроэнергии и повышении урожайности хлопка, гидроузел в 1980 г. полностью окупил все строительные затраты.

Опыт, накопленный при создании Нурекского гидроузла, поможет строителям Рогунской ГЭС – пятой станции вахшского каскада. Почти на 350 м возвысится плотина нового гидроузла, мощность которого достигнет 3,6 млн. кВт. Ежегодно он будет вырабатывать 13 млрд. кВт*ч дешевой электроэнергии, которая войдет в объединенную энергосистему Средней Азии и поможет дальнейшему развитию промышленности и сельского хозяйства республик Средней Азии. Новая станция позволит ежегодно экономить в среднем до 4 млн. т условного топлива. В Рогунское водохранилище соберется до 12 км³ влаги, необходимой для орошения полей всех Среднеазиатских республик, для создания новых хлопководческих районов. Только за счет регулирования стока Вахша Рогунским морем в зоне Каршинских степей, Амубухарского и Каракумского каналов прирост вновь орошаемых земель превысит 320 тыс. га. Рогунская ГЭС будет одной из самых высокоэффективных в СССР.

Сельское хозяйство является, как правило, одним из наиболее значительных водопотребителей. В системе водного хозяйства нашей страны – это самый крупный водопотребитель. И характерно, что около трех четвертей воды в сельском хозяйстве расходуется безвозвратно.

Для того чтобы составить мнение о водоемкости этой отрасли народного хозяйства, достаточно напомнить, что на выращивание 1 т пшеницы требуется за вегетационный период 1,5 тыс. т воды, 1 т риса – более 7 тыс. т, 1 т хлопка – около 10 тыс. т. Прежде чем в магазине появится банка консервов из овощей или фруктов, на нее будет истрачено 40 л воды. Подсчитано, что только для производства суточной нормы пищевых продуктов в расчете на одного человека требуется не менее 6 м³ воды. Большое ее количество расходуется в связи с развитием животноводства. Животноводческие комплексы на промышленной основе являются крупными потребителями доброкачественной воды.

Орошение и связанные с ним инженерно‑технические мероприятия оказывают влияние на гидрологический цикл и водные ресурсы регионов. Во многих странах и целых районах мира орошение является основным потребителем воды и в маловодные годы обусловливает возникновение дефицита водных ресурсов. Особенно большое значение это имеет для аридных районов, где в настоящее время проживает большая часть человечества. К началу XX в. площадь орошения на Земле составляла ~ 40 млн. га, в том числе в Индии – 17 млн. га, России – 3 млн. га, США – 3 млн. га, Египте – 2,4 млн. га, Японии – 2 млн, га, Италии – 1,6 млн. га. Площадь орошаемых земель в мире достигла в 1975 г. ~ 250 млн. га, т. е. за 75 лет текущего столетия увеличилась более чем в 6 раз. Около 60 % всех орошаемых площадей сосредоточено в Китае, Индии, США и СССР.

Особенностью развития современного орошения является продвижение его на север, в районы достаточного и даже избыточного увлажнения; здесь орошение рассматривается как неотъемлемая часть системы агротехнических мероприятий, позволяющих получать высокие и устойчивые урожаи сельскохозяйственных культур независимо от метеорологических условий. В Европе нет ни одной страны, где в той или иной мере не было бы развито орошение; значительные орошаемые площади имеются, например, в Польше, Великобритании, ФРГ, Нидерландах. Все большее распространение в северных районах Европы приобретает так называемое двухстороннее регулирование водного режима почвы, предусматривающее сочетание осушения и орошения на мелиорируемых землях.

Развитие орошения засушливых земель прежде всего вытекает из необходимости обеспечения человечества продуктами питания. Несмотря на то что в настоящее время орошается немногим более 15 % всех обрабатываемых площадей мира, продукция с орошаемых полей составляет более половины всей сельскохозяйственной продукции в стоимостном выражении. В условиях высоких темпов роста населения и острого недостатка продуктов питания, который испытывают сейчас почти две трети жителей планеты, ирригации отводится все большая роль в повышении эффективности земледелия и животноводства. Поэтому и в перспективе можно предположить, что орошаемое земледелие в мире будет интенсивно развиваться. Например, в странах – членах СЭВ предполагается увеличить орошаемые площади через 15–20 лет почти в 3 раза, в отдаленной перспективе – в 4 раза по сравнению с современным уровнем. Согласно перспективному плану развития сельскохозяйственного производства (ФАО, 1969 г.) предполагается увеличить орошаемые площади за период 1962–1985 гг. в развивающихся странах Азии (без Китая) в 1,5 раза, Латинской Америки – 1,7 раза, Ближнего Востока и Северо‑Восточной Африки – 1,2 раза, Южной Африки – 1,7 раза.

Более низкие темпы роста площадей орошаемых земель намечаются в отдаленной перспективе до 2000 г. в странах Западной Европы и США. Так, предполагается, что достигнутые в 70‑х годах в США темпы ввода новых орошаемых площадей (~ 400–500 тыс. га/год) в период до 2000 г. будут постепенно снижаться до 100 тыс. га/год.

На основании систематизации и обобщения сведений, приведенных в литературе по отдельным странам и районам мира, материалов ФАО за последние годы динамика орошаемых площадей и предполагаемая перспектива их роста, по континентам и по земному шару в целом может быть охарактеризована данными табл. 11.

Следует отметить, что данные этой таблицы приближенные, поскольку сведения по многим странам, приведенные в различных источниках, довольно разноречивы, характеризуют разные годы и т. п. Особенно это относится к сведениям за наиболее ранние годы, а также к данным на перспективу. Последние следует рассматривать как возможный вариант, основанный на общих тенденциях развития ирригации и разработанных в отдельных странах мира перспективных планах.

Как видно из табл. 11, большая часть орошаемых площадей (73 %) в 1970 г. была сосредоточена в Азии, где они занимают почти 30 % общей обрабатываемой сельскохозяйственной площади, затем следуют Северная Америка (25 млн. га, 10,7 %) и Европа (21 млн. га, 9,0 %). На 1985 г. предполагается увеличение орошаемых площадей в мире до 300–310 млн. га (в 1,3 раза), а к 2000 г. – до 410–420 млн. га (в 1,8 раза) по сравнению с современным уровнем. Наибольший рост орошаемых площадей ожидается в Европе (более чем в 2 раза к 2000 г.), что обусловлено в основном намечаемыми интенсивными планами развития ирригации в странах – членах СЭВ (особенно на ЕТС, где предполагается увеличить площади орошения в 5–6 раз).

За годы десятой пятилетки введено в эксплуатацию за счет государственных капитальных вложений 4 млн. га орошаемых земель, обводнено в пустынных, полупустынных и горных районах 37,6 млн. га пастбищ, увеличены площади орошаемого земледелия в районах юго‑востока Европейской части РСФСР, на Северном Кавказе, юге Украины, в Молдавии, Казахстане, республиках Средней Азии и Закавказья.

В конце 70‑х годов завершилось строительство второй очереди одной из крупнейших на Украине Северо‑Рогачикской оросительной системы. Ежегодно зона гарантированных урожаев расширяется в республике на сто с лишним тысяч гектаров.

В Саратовской области построены крупные оросительные системы: Энгельсская, Духовницкая, первая очередь Приволжской и др. Подготовлена к сдаче оросительная система им. Гагарина, где применены новейшие средства автоматики и телемеханики. Полным ходом идет сооружение Балаковской, второй очереди Приволжской, крупнейшей в Поволжье – на 160 тыс. га – Комсомольской системы. В 1949 г. орошаемые площади занимали в области лишь 32 тыс. га, а в 1979 г. – 360 тыс. На этом огромном поле ежегодно выращивается 95 % овощей, 50 – картофеля, 35 – всех видов кормов. Поливной гектар дает урожай зерновых в три‑четыре раза больший, чем на богаре.

В 1979 г. воды Кубани пошли по третьей очереди Большого Ставропольского канала – новостройки десятой пятилетки. Канал длиной 42,5 км мощно прорезал голубой трассой иссушенные земли степи.

Быстрая Кубань еще дальше продолжила свой путь, чтобы оросить дополнительно тысячи гектаров колхозных и совхозных земель. Первые две очереди уже окупили основные затраты на строительство прибавкой урожаев. Третья очередь уникальна в том отношении, что впервые пришлось решать ряд гидротехнических задач, вызванных необычайной сложностью рельефа трассы, составом грунтов. Строителям пришлось в одном месте взрывать породу, в другом – уплотнять. Одновременно создавалась и орошаемая сеть, рассчитанная на напор естественного тока воды и на применение новейших поливальных агрегатов. В отличие от предыдущих линий, ложе канала одето в трехслойную противофильтрационную рубашку из железобетонных плит, толя, полиэтилена. Закончив на год раньше намеченного срока третью очередь, строители приступили к прокладке нового 100‑километрового отрезка Большого Ставропольского канала.

В 1980 г. вступил в строй Главный Каховский магистральный канал – основная артерия Каховской оросительной системы. Новая водная магистраль имеет важное значение для интенсификации сельскохозяйственного производства, создания в степной зоне Украины крупного района гарантированного производства зерна, овощей, мяса, молока и другой продукции сельского хозяйства.

Сооружение канала осуществлялось одновременно со строительством оросительных систем, и сейчас на его базе уже орошается 110 тыс. га засушливых земель Херсонской и Запорожской областей. Канал позволил завершить строительство первой очереди Каховской оросительной системы площадью 260 тыс. га.

Каховский канал – уникальное сооружение, воплотившее в себе лучший отечественный и зарубежный опыт гидротехнического строительства. По всей его 130‑километровой трассе обеспечена надежная противофильтрационная защита, автоматически регулируется расход воды. Канал по пропускной способности является одним из самых крупных в стране. Его головная насосная станция мощностью 530 м³/с поднимает воду на высоту 24 м. Оросительные системы оснащены закрытыми трубопроводами и высокопроизводительными дождевальными машинами. На землях, орошаемых водами Каховского магистрального канала, большинство хозяйств получает с 1 га по 42–45 ц зерновых, 570–630 ц кормовых корнеплодов, 75–80 ц сена многолетних трав.

Большую роль в развитии экономики Туркменской ССР играет Каракумский канал им. В. И. Ленина, уже преодолевший тысячекилометровый рубеж. Рукотворная трасса искусственной реки коренным образом преобразила жизнь огромной территории. В 1979 г. из Каракумского канала орошалось более 450 тыс. га земель, на которых выращивается почти половина производимого в республике хлопка. На целинных землях построены современные совхозы с благоустроенными поселками, проложены сотни километров шоссейных дорог и линий электропередач. Решена одна из острейших задач по гарантированному водоснабжению обширной территории, промышленных предприятий и газопромыслов.

Приход воды по каналу в острозасушливую Прикаспийскую зону открывает большие перспективы для преобразования западных районов республики. 179‑километровый «рукав» юго‑западного участка Каракумского канала повернет от Казанджика к югу и даст воду району сухих субтропиков – единственному в нашей стране месту, где вызревают финики. Канал и водохранилище на 650 млн. м³ обводнят массивы пастбищ, а на Мешхед‑Миссарианском плато оросят до 193 тыс. га туркменской целины. На новых землях расцветут финиковые и оливковые рощи, будут заложены плантации инжира, хурмы, грецкого ореха, миндаля, граната, крупные виноградники.

В 1980 г. приняла 1 млрд. м³ воды первая чаша руслового водохранилища. Всего в Туямуюнской излучине, по мере заполнения основного бассейна и наращивания бетонной плотины, разольется три водосборника, что позволит довести емкость хранилища до 8 км³. Туямуюнский гидроузел на Амударье в Узбекской ССР оросит 200 тыс. га новых и 300 тыс. старопахотных земель. Его гидротурбины ежегодно станут вырабатывать более 1 млрд. кВт*ч энергии. В водохранилище гидроузла будут разводить мальков для воспроизводства рыбных запасов Амударьи.

На карте крупных строек Казахстана значится ущелье Бартогай, расположенное в горах Заилийского Алатау на высоте более 1 тыс. м над уровнем моря. Здесь, в 140 км от Алма‑Аты, в 1980 г. началось строительство гигантского водохранилища. Уже четко обозначились контуры каменно‑земляной плотины, которая прервет стремительный бег р. Чилик. Ее воды по магистральному каналу длиной свыше 170 км достигнут пос. Чемолган. Новый гидротехнический узел оросит 270 тыс. га засушливых, но плодородных земель, улучшит водообеспеченность хозяйств Чиликского, Энбекшиказахского, Илийского, Талгарского и Каскеленского районов, где создана одна из крупнейших республике баз по производству фруктов, винограда и овощебахчевых культур.

Строительство Бартогайской оросительной системы – часть осуществляемой в республике обширной программы по повышению эффективности земледелия. За последние годы введены в эксплуатацию крупные Бадамское, Чарское, Карагалинское и другие рукотворные моря, накопившие десятки миллиардов кубометров влаги. Сооружаются и более мелкие хранилища, которые «перехватывают» вешние воды и потоки из моренных озер, образованных тающими ледниками. Все это позволило увеличить за пятилетку орошаемое поле Казахстана более чем на 300 тыс. га. Занимая всего около 5 % пашни, оно уже дало четверть всей продукции полеводства республики.

За годы десятой пятилетки в нашей стране введено в действие свыше 5 млн. га орошаемых и осушенных земель, В 1980 г. их было уже около 30 млн. га – 9 % общей площади пашни и многолетних насаждений. Мелиорация приобретает все большее значение, становится важным средством интенсификации сельскохозяйственного производства.