Лекция 3. Экологические проблемы гидроэнергетики

Содержание лекции: объемы производства электроэнергии гидроэлектростанциями, русло реки – биологическая система, ГЭС с переменным графиком выработки энергии, затопление территорий и переменный уровень водохранилища.

Цель лекции: показать особенности использования водных ресурсов для выработки электроэнергии, последствия, возникающие при затоплении больших площадей и остановке естественного режима течения.

Круговорот воды в природе происходит благодаря активности солнца, в результате чего вода испаряется из океанов, морей и других водных поверхностей, формирует тучи, выпадает в виде дождя или снега и попадает назад в океан. Пары воды образуются также в результате сжигания углеводородного топлива и также включаются в осадки. Энергия этого круговорота, движимого Солнцем, наиболее эффективно используется в гидроэнергетике. Использование воды для получения механической энергии - достаточно старая практика. Струя воды приводит в движение лопасти и может вращать их со скоростью, необходимой для производства электроэнергии.

В целом, энергия, заключённая в круговороте воды и морских волнах, огромна, но использование этой энергии является достаточно трудным. Наиболее распространённым методом применения энергии воды является традиционная гидроэнергетика, т.е. технология, позволяющая производить электроэнергию за счет падающей воды. К принципиальным преимуществам гидроэнергетики можно отнести способность к быстрому восстановлению собственных ресурсов, отсутствие загрязняющих выбросов в атмосферу, возможность быстро регулировать нагрузку в электрической сети, низкая стоимость процесса производства электроэнергии. К недостаткам большой гидроэнергетики относятся большие капиталовложения в строительство гидроэлектростанций (ГЭС), а также вред, который наносится окружающей среде в процессе строительства и эксплуатации ГЭС.

Двадцатый век стал эпохой строительства гидроэлектростанций. Это важнейшая веха в истории человечества. Однако и сегодня в этой сфере двадцать первый век будет продолжением освоения гидроресурсов. Процесс строек ГЭС не остановился.

Сектор гидроэнергетики незаменим в системе производства и потребления электроэнергии. Если суточный график нагрузки и ее базисную часть покрывают тепловые и атомные станции, то справиться с пиковыми нагрузками могут только маневренные гидростанции или гидроаккумулирующие станции - они обеспечивают 95% резерва регулировочной мощности

Основной причиной того, что ГЭС не строят повсеместно, является высокая стоимость их строительства, а также необходимость наличия больших водных ресурсов в относительной близости к населенным пунктам. К другим проблемам, связанным со строительством ГЭС, относятся: воздействие дамб на речные экосистемы и социальные проблемы, в частности, связанные с переселением жителей.

Русло реки - экологическая система, где изменения в пределах одного компонента могут вызвать цепную реакцию. Например, изменения в расходе воды могут воздействовать на качество воды и ситуацию с рыбой ниже по течению. Барьеры дамбы могут значительно изменять условия существования рыбы. Кроме того, помимо появления нового водохранилища или увеличения размеров старого, построенная дамба может блокировать миграционные пути рыбы.

Изменения среды могут быть обнаружены и далеко вниз по течению, иногда даже в море. В тропиках могут происходить большие сезонные изменения количества осадков. В сухие периоды парообразование с озер и водохранилищ может быть значительным, что повлияет на уровень воды в водохранилищах более существенно, чем в умеренных широтах. Русло реки и ее водораздел взаимно влияют друг на друга. Русло, например, может воздействовать на местный климат и уровень грунтовых вод в окружающих районах. Изменения скорости течения и уровня воды также вызовут изменения в перемещении осаждающихся веществ.

Во время строительства ГЭС особенно большим будет перемещение грязи и отложений вниз по течению от места возведения станции. Земляные работы и проходка туннеля могут привести к значительному ухудшению качества воды, что вызовет дополнительные проблемы.

Грунтовые воды играют важную роль в поддержании существующей экосистемы, ее флоры и фауны. В большинстве стран грунтовые воды являются также источником питьевой воды. Водохранилища вместе с изменением и возможными колебаниями уровня воды, вызванными наличием ГЭС, влияют на уровень грунтовых вод в окружающих районах, что, в свою очередь, может повлиять на качество воды и перемещение осадков в русле реки в результате стока и эрозии.

Из-за засорений водохранилища срок службы их уменьшается. Перемещение отложений и питательных веществ играет критическую роль в экосистеме реки. Использование людьми природы и ее богатств может полностью зависеть от разливов, водных отложений. Водохранилище служит " ловушкой" для питательных веществ и грязи, что может привести к значительному понижению общей миграции питательных веществ вниз по течению. Кроме того, годичные изменения в снабжении питательными веществами русла реки могут также подвергаться изменениям, что в свою очередь снижает биологическое воспроизводство на всем пути к морю или озеру. Имеются примеры, когда вследствие строительства дамбы лов рыбы морским флотом существенно сокращался.

Для некоторых видов рыб могут возникнуть препятствия для их размножения из-за возможного изменения уровня воды во время периода нереста. В искусственном водоеме обычно обитают меньше видов рыб, чем в естественном озере. Изменения потока воды могут радикально влиять на питательные вещества и условия икрометания вниз по течению. Также изменяется и " образование" пищи, как и ее доступность для рыбы. В дамбе и на местах сброса воды от турбин может выделяться избыточный газ, преимущественно азот, что может быть смертельным для рыбы

Затопление и изменение потока воды, кроме того, вызывает изменение фауны и флоры вне русла реки. Из-за постоянных или периодических затоплений под ударом окажется животный и растительный мир района, где находится ГЭС. Если животные могут частично переместиться в новые места обитания вне области водоема, (естественно, если соответствующие условия среды будут найдены), то растительность затопляемых областей считается утраченной.

Трудно предсказать вообще, какие произойдут изменения вне затопленной области. Локальные климатические изменения и изменения уровня грунтовых вод могут воздействовать на флору и фауну. Ценные виды и природные разновидности могут быть потеряны навсегда. Общее увеличение активности в районе (транспорт, шум и т.д.), особенно характерные для периода строительства, также воздействует на фауну отрицательным образом.

Для больших ГЭС с дамбами необходимы большие водохранилища и большие площади для разлива. Для освобождения места под эти площади необходимо переселить много людей. Это значит, что жизнь многих людей может существенно измениться вследствие абсолютно нового местожительства, нового распределения земли, новых условий труда и стиля жизни. В случае с возведением больших ГЭС воздействие на жизнь людей может быть достаточно серьезным.

Социальные последствия, вероятно, возникнут и в том случае, если население района, где строится ГЭС, будет вынуждено переселиться на земли более экологически уязвимые и менее плодородные, чем те, которые они традиционно использовали. Такое косвенное воздействие на экологию может вызвать ряд значительных экологических проблем, имеющих негативные последствия для всего района, где находится ГЭС.

Особенно страдает коренное население. Из-за своих социально-культурных традиций и исторически сложившейся привязанности к земле, воде и другим природным ресурсам, они не могут приспособиться к изменениям и новым видам деятельности. Перемещение групп коренного населения ставит под удар всю их культурную систему. Такие меньшинства брошены на произвол судьбы, поскольку они практически не имеют большого политического влияния и возможности отстаивать свои собственные интересы.

Изменения в условиях социальной, экономической и религиозной организации общества могут создавать ряд косвенных социальных последствий, которые трудно предвидеть в процессе планирования проекта. Культурные ландшафты, древние стоянки, святые места, места погребения и т.д. часто имеют большое значение для культуры местного населения.

Большие ГЭС могут влиять на развитие эпидемий заболеваний, связанных с водой. Водохранилище может улучшать проживание и условия размножения паразитических организмов, вызывающих различные заболевания. Среди них можно упомянуть сыпной тиф, холеру, дизентерию и другие. К заболеваниям, связанным с водной средой обитания основных переносчиков, относятся биляриоз, малярия, филариоз, сонная болезнь и желтая лихорадка.

Водохранилища, где находится большое количество стоячей воды с низкими колебаниями ее уровня, создают благоприятные условия для жизни болезнетворных организмов. Растительность в водохранилище также " улучшает" среду обитания для некоторых типов переносчиков инфекции. Например, растительность может снабжать переносчиков инфекции повышенной порцией питательных веществ; улучшаются условия для размножения и сохранения в периоды низкого уровня воды; водные растения закрывают от сильного солнечного света улиток, которые являются разносчиками биляриоза. К тому же, исследования показали, что разновидность москитов - разносчиков малярии и филариоза - существует благодаря растительности в водоемах. Если водоем используется и для ирригации, и для снабжения технической и питьевой водой, имеется риск заражения болезнетворными организмами, живущими в воде. Такая инфекция может распространяться на обширные территории.

Прорыв дамбы происходит редко, но из-за его возможных масштабных последствий, необходимо заранее оценить размеры повреждений, вызванных прорывом. Несчастные случаи с людьми, повреждение имущества и технических сооружений рассматриваются как наиболее существенные, но значительным также может быть и негативное воздействие на окружающую среду.

Согласно статистике, наиболее частой причиной прорыва дамбы является сочетание усиления течения реки перед дамбой и повреждений в водосливе дамбы. Вторичными причинами являются дефекты основания дамбы или просачивание через нее воды. При высоком уровне воды в водохранилищах оползни земли и камней от насыпи выше или внутри резервуара могут вызывать настолько массивные паводковые волны, что вода может проливаться по полной или частичной ширине дамбы. Если дамба насыпная, это может привести к разрушению самой дамбы. Специальные меры предосторожности должны быть приняты, если большая дамба строится в сейсмически опасном районе.

Ухудшение качества воды в водохранилищах происходит по различным причинам. В них резко увеличивается количество органических веществ как за счет ушедших под воду экосистем (древесина, другие растительные остатки, гумус почв и т. п.), так и вследствие их накопления в результате замедленного водообмена. Это своего рода отстойники и аккумуляторы веществ, поступающих с водосборов.

В водохранилищах резко усиливается прогревание вод, что интенсифицирует потерю ими кислорода и другие процессы, обусловливаемые тепловым загрязнением. Последнее, совместно с накоплением биогенных веществ, создает условия для зарастания водоемов и интенсивного развития водорослей, в том числе и ядовитых сине-зеленых (цианей). По этим причинам, а также вследствие медленной обновляемости вод резко снижается их способность к самоочищению. Ухудшение качества воды ведет к гибели многих ее обитателей. Возрастает заболеваемость рыбного стада, особенно поражение гельминтами. Снижаются вкусовые качества обитателей водной среды.

Накопление воды в водохранилищах ГЭС и расходование ее в соответствии с графиком выработки электроэнергии сильно усложняет водный режим русла рек ниже ГЭС, вызывает периодические затопления, наносит большой ущерб хозяйственной деятельности. Принадлежность стока рек государствам, по территории которых они протекают, отсутствие политического урегулирования использования стока трансграничных рек, делает гидроэнергетику политически неустойчивым энергетическим ресурсом.

Экономический потенциал гидроэнергии в мире составляет 8100 млрд. кВт.ч, установленная мощность всех гидростанций - 669000 МВт, вырабатываемая электроэнергия - 2691 млрд. кВт.ч, т.е. экономический потенциал используется на 33%.

В настоящее время начался процесс восстановления разрушенных и строительства новых ГЭС, решаются политическим путем проблемы использование трансграничных водотоков, увеличивается использование энергии мирового океана.