Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Водные ресурсы в Центральной Азии, их современное состояние и перспективы развития 12
1.1. Ирригация и гидроэнергетика в Центральной Азии 12
1.2. Гидроэнергетические ресурсы и их использование
в мире, Центральной Азии и Таджикистане 19
1.2.1. Гидроэнергетические ресурсы мира 19
1.2.2. Гидроэнергетические ресурсы Центральной Азии 26
1.2.3. Гидроэнергетические ресурсы Таджикистана 27
1.2.4. Энергоэффективность рек Таджикистана 48
1.3.Стратегия развития гидроэнергетики и энергоэффективность 53
1.4.Оптимизация размещения гидроузлов и вопросы безопасности водно-энергетического комплекса 60
1.4.1 .Оптимизация схем размещения гидроузлов и их параметров 60
1.4.2.Безопасность и независимость водохозяйственных отраслей
Центральной Азии 75
Глава 2. Современная изменчивость водных ресурсов и ее прогноз 88
2.1. Изменчивость водного стока и его прогноз 90
2.1.1. Сезонная изменчивость водного стока 90
2.1.2. Многолетняя изменчивость водного стока 108
Линейная изменчивость водного стока 109
Циклические колебания водного стока 113
2.1.3. Анализ климатических факторов, определяющих многолетнюю изменчивость водного стока 122
2.1.4 Общая оценка изменчивости водного стока и его прогноз 128
2.2. Стоимость гидрологического прогноза для гидроэнергетики 131
2.3. Глобальные изменения климата и их влияние на водность рек 138
2.4. Изменчивость водных ресурсов и безопасность 142
2.5. Адаптация объектов водного хозяйства к изменчивости водных ресурсов 144
Глава 3. Управлением режимом стока для решения водохозяйственных задач 158
3.1. Общие критерии работы гидроузлов комплексного назначения 158
3.2. Математические модели управления режимом стока 163
3.3. Математические модели оптимизации работы ГЭС 179
3.4. Математические модели оптимизации работы гидроузлов комплексного назначения 182
3.5. Математическая модель мониторинга заиления водохранилища 184
Глава 4. Экономические аспекты стратегии развития гидроэнергетики ... 187
4.1. Экономическая эффективность гидроэнергетики и методы ее оценки 187
4.2. Математическая модель развития государственной энергосистемы 193
4.2.1. Экономические регуляторы деятельности энергосистемы . 193
4.2.2. Вывод основных зависимостей 195
4.2.3. Расчеты вариантов и анализ результатов 198
4.3. Общий экономический критерий развития гидроэнергетики 205
Глава 5. Совместное использование ресурсов трансграничных рек для оптимального использования водных ресурсов 212
5.1.Существующая ситуация в ирригации и гидроэнергетике Центральной Азии 212
5.2. Сущность конфликта между гидроэнергетикой и ирригацией и история его развития 218
5.3. Международное и национальное право в вопросах совместного использования водно-энергетических ресурсов
трансграничных рек 224
5.3.1. Международное водное право 224
5.3.2.Международный опыт сотрудничества при совместном использовании водных ресурсов 249
5.3.3. Национальное законодательство стран Центральной Азии в области использования водно-энергетических ресурсов 258
5.4. Пути решения проблемы совместного использования водно-энергетических ресурсов трансграничных рек в интересах гидроэнергетики и ирригации 268
Заключение 296
Список литературы
- Гидроэнергетические ресурсы мира
- Анализ климатических факторов, определяющих многолетнюю изменчивость водного стока
- Математические модели оптимизации работы ГЭС
- Экономические регуляторы деятельности энергосистемы
Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема обеспеченности водными ресурсами становится в последнее время одной из самых актуальных и сложных во всем мире. Особенно это относится к территориям Центральной Азии, характеризующимся засушливым климатом и практически полным использованием (в первую очередь на орошение) ограниченных водных ресурсов.
Центральная Азия в целом обладает достаточными запасами водных и энергетических ресурсов, но расположены они по странам крайне неравномерно, что определяет необходимость кооперации стран региона в совместном использовании водноэнергетических ресурсов.
Водные ресурсы используются в Центральной Азии, как для орошения, так и для выработки гидроэлектроэнергии.
Орошение является в регионе традиционной отраслью, ее история насчитывает уже не одну тысячу лет и все водные ресурсы для нее сегодня можно считать полностью исчерпанными.
В то же время гидроэнергетика начала интенсивно развиваться в Центральной Азии только в последние 50 лет и к настоящему времени освоено менее 5% гидроэнергетического потенциала рек региона.
Особенностью Центральной Азии является то, что основные массивы орошения расположены в странах нижнего течения рек - Казахстане, Узбекистане, Туркменистане, а гидроэнергетика с крупными регулирующими водохранилищами развивается в странах верхнего течения рек - Кыргызстане и Таджикистане. При этом все основные реки региона являются трансграничными и их водный сток на 80% формируется в странах верхнего течения.
Это создает конфликт интересов между отраслями и странами, который после распада СССР и образования в регионе пяти независимых суверенных республик приобрел межгосударственный характер.
Дополнительные сложности могут возникнуть в связи с глобальными изменениями климата и их негативным влиянием на водные ресурсы, являющимися основой жизнеобеспечения населения и формирующими экологию всего региона.
Теоретическую основу настоящего диссертационного исследования составили фундаментальные труды Авакяна А. Б., Александровского А. Ю., Асарина А. Е., Василевского А. Г., Великанова А. Л., Вознесенского А. Н., Данилова-Данильяна В. И., Крицкого С. Н., Менкеля М. Ф, Ратковича Д. Я.
Большое влияние на формирование выводов и научных положений диссертации оказали исследования ученых, посвященные проблемам оптимизации режимов работы комплексных гидроузлов - Образцова В. И., Обрезкова В. И., Пряжинской В. Г., Резниковского А. Ш., Храновича И. Л.
При исследовании вопросов оценки и комплексного использования водно-энергетическиих ресурсов и их экономической эффективности использовались научные труды и публикации Ахроровой А. Д., Бабурина Б. Л., Готовцева А. В., Файн И. И.
В исследованиях межгосударственных отношений при совместном использовании водно-энергетических ресурсов использовались положения и выводы, содержащиеся в трудах ученых Духовного В. А., Маматканова Д. М., Сарсембекова Т.Т., Серика Примбетова, Усубалиева Е. У.
На формирование основных положений настоящей работы непосредственно относящихся к использованию водно-энергетических ресурсов Центральной Азии определенное влияние оказали труды Абдуллаевой Ф. С, Аллаева К. Р., Наврузова С. Т., Сорокина А. Г., Хамраева Н.
Кроме этого, начиная с 1992 г., для исследования всех вопросов, касающихся использования водноэнергетических ресурсов в Центральной Азии, было выполнено большое количество международных проектов с участием ЕЭК и ЭСКАТО ООН, ПРООН, ЮСАИД, ЮНЕСКО, Евросоюза, Мирового, Азиатского, Евразийского Банков Развития, и др.
Таджикистан и Кыргызстан обладает большими запасами водных и гидроэнергетических ресурсов, в десятки раз превышающими их собственные потребности. При этом водные ресурсы региона используются одновременно для гидроэнергетики стран верхнего, и орошаемого земледелия стран нижнего течения. Первые не имеют промышленных запасов минерального и углеводородного топлива, а вторые обладают ими, но испытывают дефицит воды для исторически сложившегося орошения, обеспечивающего работой миллионы людей.
Все это требует комплексного, интегрированного подхода, включающего водноресурсный, гидроэнергетический, экологический и социальный аспекты, неразрывно связанных между собой. Решение этих проблем требует использования специальных методов анализа и математического моделирования.
Объектом диссертационного исследования являются водные ресурсы крупных рек Центральной Азии, имеющих преимущественно трансграничное значение.
Предметом исследования является водный сток и его регулирование в интересах ирригации и гидроэнергетики. При этом как ирригация, так и гидроэнергетика рассматриваются только как отрасли водного хозяйства.
Целями диссертационного исследования являются: анализ состояния и
современных тенденций использования и развития водноэнергетических ресурсов
трансграничных рек Центральной Азии; разработка практических методов оптимизации
комплексного регулирования и использования стока, в том числе с применением
математических моделей; разработка механизмов согласования и оптимизации
интересов ирригации и гидроэнергетики при совместном использовании
водноэнергетических ресурсов.
Основные задачи работы. Для решения поставленной цели решались следующие задачи:
Комплексное изучение существующей ситуации в водохозяйственном комплексе Центральной Азии, выявление основных проблем и тенденций развития.
Исследование эффективности использования водных и гидроэнергетических ресурсов крупных рек Центральной Азии.
Разработка метода расчета оптимальных параметров гидроузлов при каскадном освоении водноэнергетических ресурсов крупных рек.
Разработка математических моделей регулирования речного стока и оптимизации режима работы гидроузлов и каскадов гидроузлов комплексного назначения.
Обоснование оптимальных решений проблемы конфликта между гидроэнергетикой и ирригацией и эффективных способов управления совместным использованием водноэнергетических ресурсов трансграничных рек.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы гармонического, регрессионного и корреляционного анализов, оптимизационного и имитационного моделирования и вычислительных экспериментов. При обработке материалов использовались также методы сравнительного анализа, SWOT-анализа, Ивент-анализа и кластерного анализа. Все выполненные в диссертации исследования основаны на фактических материалах, полученных в результате обобщения данных натурных наблюдений и исследований и анализа реальной деятельности предприятий водного сектора.
Практическая значимость и внедрение результатов исследований. Полученные
результаты были применены:
1. При разработке стратегий и программ комплексного, интегрированного
использование водноэнергетических ресурсов Центральной Азии
-
При разработке региональной стратегии ООН: «Strengthening Cooperation for Rational and Efficient use of Water and Energy resources in Central Asia. Special Programme for the Economies of Central Asia Project Working Group on Energy and Water Resources». ECE/ESCAP. 2004.
-
При разработке «Программы конкретных действий по улучшению экологической обстановки в бассейне Аральского моря на ближайшие 3-5 лет с учетом социально-экономического развития региона (основные направления)», (ПБАМ-1), 1994-2000 гг., «Программы конкретных действий по улучшению экологической и социально-экономической обстановки в бассейне Аральского моря на период 2003-2010 гг.», (ПБАМ-2), 2003-2010 гг. и ПБАМ-3 (2010-2011гг).
-
Для оптимизации режимов работы Нурекской и Каираккумскои ГЭС в Таджикистане и Токтогульской в Кыргызстане.
-
В проекте «Информирования общественности по планируемой Всемирным банком Социально-Экологической оценке для Рогунской ГЭС». МБ, Tajik Branch of the Regional Environmental Centre for Central Asia. 2010-2011 гг.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Комплекс оптимизационных и имитационных математических моделей управления работой гидроузлов и регулирования стока в интересах ирригации и гидроэнергетики.
-
Методика расчета стоимости услуг по регулированию водного стока и межгосударственный механизм взаимоотношений между ирригацией и гидроэнергетикой - странами формирования и ирригационного использования водных ресурсов.
-
Механизм регионального сотрудничества при совместном использовании водноэнергетических ресурсов трансграничных рек.
-
Метод оперативного прогноза водного стока и математическая модель для его практического использования.
-
Способ и математическая модель мониторинга полезного объема водохранилищ и динамики его изменения.
-
Стратегия комплексного освоения водно-энергетических ресурсов (каскадного строительства гидроузлов), оптимизирующая регулирование стока в интересах ирригации и гидроэнергетики и обеспечивающая экономическую эффективность и экологическую безопасность.
Научная новизна работы заключается в получении оригинальных результатов исследований по основным положениям, вынесенным на защиту.
Разработана методика оперативного прогноза водного стока, обеспечивающая эффективное использование водных ресурсов для гидроузлов комплексного, ирригационно-энергетического назначения.
На основе анализа изменчивости водного стока и морфометрических характеристик крупных горных рек определены параметры гидроузлов и водохранилищ, обеспечивающие полное освоение водных ресурсов в интересах ирригации и гидроэнергетики, минимизирующие воздействие на окружающую среду.
Разработана методика оценки стоимости гидрологического прогноза рек.
Получены критерии сработки водохранилищ, обеспечивающие эффективное использование водных ресурсов в интересах гидроэнергетики.
Разработана модель перманентного мониторинга полезного объема водохранилищ и динамики его изменения.
Разработаны математические модели устойчивой работы гидроузлов, обеспечивающие необходимую подачу воды для ирригации и стабильное энергоснабжение потребителей.
Предложена методика расчета стоимости водных ресурсов при комплексном регулировании водного стока в интересах гидроэнергетики и ирригации.
Исследована многолетняя изменчивость водного стока крупных рек региона Центральной Азии и показана связь с изменением климата. Отмечена необходимость дальнейших исследований.
Предложен интеграционный механизм, оптимизирующий межгосударственные взаимоотношения стран Центральной Азии при совместном использовании водноэнергетических ресурсов трансграничных рек.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием разных методов анализа и взаимодополняющих материалов с обработкой статистическими методами. Все результаты работы подвергались сравнительному анализу с фактическими данными, показавшему их достаточно высокую точность.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Энергетических сессиях ЕЭК ООН в Женеве, Международных, всесоюзных, российских конференциях, семинарах, симпозиумах в 1989-2012 гг.
Личный вклад автора состоит в постановке задач, разработке способов их решения, в том числе с использованием математических моделей, обобщении и интерпретации результатов, и получении указанных выше научных научных положений и результатов, выносимых на защиту.
Все основные научные результаты и выводы, представленные в диссертации, получены автором самостоятельно или под его руковдством.
Публикации. Основные результаты, представленные в диссертации, изложены в 59 научных работах, в том числе 27 в изданиях, рекомендуемых ВАКом.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников (322 наименований) и приложений.
Общий объем работы, без списка литературы и приложений составляет 297 машинописных страниц, включая 69 таблиц и 140 рисунков.
Гидроэнергетические ресурсы мира
Таким образом, проблема возникала не из-за того, что ей не уделялось достаточно внимания. Просто она была очень сложной, связана со слишком глубокими и резкими изменениями во всех отраслях природохо-зяйственной и социально-экономической жизни. И слишком велика была вера в возможности и мощь человека в "борьбе с природой". В истории человечества мало примеров. К тому же, всё это усугублялось демографической ситуацией в регионе - резким ростом населения.
Важной особенностью распределения водных ресурсов в регионе Центральной Азии является то, что формируются они в основном в государствах верхнего течения - Кыргызстане и Таджикистане, а используются для ирригации в странах нижнего - Казахстане, Туркменистане и Узбекистане. Это создает конфликт интересов, который приобрел после распада СССР и образования на территории региона в 1991 г. пяти независимых, суверенных республик межгосударственный характер.
В отличие от ирригации, история которой насчитывает несколько тысячелетий, гидроэнергетика в Центральной Азии, как и во всем мире, начала развиваться только в 20-м веке.
По сути дела, начиная с 30-х годов 20-го века, в регионе была создана совершенно новая для него, современная базовая отрасль - электроэнергетика [19, 63]. Общая установленная мощность всех электростанций в регионе достигла к середине 90-х годов - 41 млн. кВт, в том числе:
При этом доля гидроэнергетики в общей энергетике стран региона составляет в Таджикистане - 95%, в Кыргызстане - 80%, в Узбекистане -20% и Казахстане, - 14%.
Первая ГЭС в дореволюционной России - Гиндукушская, была построена в 1910 году на территории современного Туркменистана, на р. Мургаб. Она действует до настоящего времени.
В Таджикистане первая ГЭС была построена в 1913 г., начальником погранпоста, подполковником Г. А. Шпилько, в самом высокогорном районе - г. Хороге.
В 1926 году в Узбекистане началось строительство Бозсуйского каскада ГЭС. Первая станция была введена в строй в 1927 году. В дальнейшем строительство каскада было продолжено во время Великой Отечественной войны в 1940-1943 годах. Были построены Тавакская, Чирчикская, Ак-кавакские I и II ГЭС. После войны строительство каскада, состоящего из 16 станций, было завершено. Все они действуют до настоящего времени.
В предвоенные 30-е и сразу после войны, в 50-е годы во всех республиках Центральной Азии были выполнены комплексные исследования водно-энергетических ресурсов и начато масштабное строительство гидроузлов комплексного назначения.
Особенно мощное развитие такое строительство получило в двух республиках, обладающих самыми большими водными ресурсами - Таджикистане и Кыргызстане.
Промышленное освоение водных ресурсов и развитие гидроэнергетики Таджикистана началось в 1936 году и в 1937 г. была пущена первая крупная для того времени станция - Варзодская ГЭС-1, мощностью 7,15 мВт. После этого, строительство электростанций в Таджикистане не прекращалось даже в годы войны с Германией 1941-И 945 гг., ас окончанием войны темпы его существенно возросли. В 1941г. была введена в действие 1-я, а в 1945 г. вторая очереди Хорогской ГЭС на Памире, в самом высокогорном и труднодоступном районе республике. В 1949 г. было закончено строительство Варзобской ГЭС-2, мощностью 14,5 мВт., а в 1952г. - Вар-зобской ГЭС-3, мощностью 3,5 мВт. В эти годы было начато строительство Головной, Перепадной и Центральной ГЭС на р. Вахш и ряд ГЭС на Памире.
При этом, начиная с 30-х годов прошлого века, в Таджикистане проводились большие работы по изучению его водноэнергетических ресурсов и проектно-изыскательские работы для строительства новых объектов. Эти работы проводились на плановой, системной основе, с учетом мирового опыта. В 1949-И950 годах в республике была разработана первая програм ма строительства малых ГЭС, с учетом сельскохозяйственной направленности республики1. Она предусматривала строительство 956 ГЭС, единичной мощностью от 50 до 3000 кВт, из них: на севере республики, наиболее развитом в экономическом отношении регионе - 555 станций, в центральных районах республики 328 станций, на Памире, наименее населенном и наиболее экономически слаборазвитом районе -73 станции. Общая мощность их была равна 500 МВт.
Уже с этого времени стало понятно, что основой развития энергетики Таджикистана могут быть только гидроресурсы. Запасы их многократно превышают собственные потребности, в то время как промышленные запасы нефти и газа в республике, практически, отсутствуют, а запасы угля труднодоступны и нерентабельны.
Динамика развития энергетики Таджикистана, в виде роста суммарной мощности энергосистемы, показана на рисунке 1.1.
Этот рисунок показывает, что во второй половине прошлого века, особенно в период с 50-х до 80-х годов, гидроэнергетика республики развивалась очень высокими темпами. Выработка электроэнергии к концу этого периода достигла в среднем 16 млрд. кВт.ч. в год. При численности населения республики в то время 4 млн. человек это обеспечивало удельное потребление 4 тыс. кВт.ч. на душу населения в год - очень высокий для того времени показатель, сравнимый со многими европейскими странами2.
Ввод в действие Кайраккумского (в 1957г.) и Нурекского (в 1978г.) водохранилищ, позволил оросить дополнительно около 1 млн. новых земель в соседних странах - Узбекистане и Казахстане.
При этом в чисто экономическом отношении, гидроэнергетика, значительно более прибыльна, чем ирригация. Таким образом, главной причиной существующих сегодня проблем в водно-энергетическом секторе Центральной Азии является имманентный кризис самого орошаемого земледелия и ирригации. Причем в связи с резким ростом численности населения региона он в перспективе может только усиливаться. Поэтому ориентация и в дальнейшем на использование водных ресурсов преимущественно для орошаемого земледелия является тупиковым путем развития.
В Центральной Азии уже в конце прошлого века сложилась ситуация, когда при жизненной необходимости общего экономического развития, ресурсы традиционной ориентации на орошаемое земледелие уже полностью исчерпаны и в дальнейшем может только обострить деградацию окружающей среды. В то же время ресурсы гидроэнергетики в Центральной Азии еще практически не освоены. В Таджикистане при общих потенциальных гидроресурсах 527 млрд. кВт.ч. в год, сегодня освоено только 15+17 млрд. кВт.ч. В Кыргызстане, из общих 246 млрд. кВт.ч. используется только 10+14 млрд.ч. [3. 97].
Эту ситуацию можно описать в терминах технологических укладов. Впервые цикличность экономического развития была исследована Кондратьевым, показавшим, что с конца XVIII по 20-е года XX века имели место три полных-длинных цикла средней продолжительностью в 55 лет каждый. Вслед за Кондратьевым теорию цикличности развил австрийский экономист Шумпетер. Продолжая этот подход, С. Глазьев обосновал экономическую цикличность сменой технологических укладов - совокупности технологий, характерных для определенного уровня развития производства.
Смена одних технологических укладов другими происходит после того, как первые полностью исчерпывают свои возможности к развитию. В результате происходит переход от более низких укладов к более высоким, прогрессивным.
Сегодня ученые выделяют в истории мира пять технологических укладов. Интенсивное развитие ирригации, строительство каналов и оросительных сетей относится к 1-му технологического укладу (1770-1830 гг.).
Развитие энергетики являлось ядром 3-го технологического уклада (1880-1930 гг.)
Сейчас развивается 5-й уклад, основой которого является электронная промышленность, вычислительная техника и программное обеспечение, информационные услуги, нанотехнологии и т. п. (от 1980-1990 до 2030-2040 гг.)
Можно видеть, что страны Центральной Азии, хотя и с некоторой задержкой, вписались с развитием энергетики в 3-й технологический уклад. Но орошаемое земледелие и ирригация остаются еще в 1-м укладе. И совершенно очевидно, что оно уже себя исчерпало, дальнейшее развитие ирригации в Центральной Азии неэффективно. Орошаемое земледелие обеспечивает сегодня в регионе только занятость сельского населения. Но даже это не в полной мере - сегодня трудовая миграция из Таджикистана в другие страны превышает 1 млн. человек, при общей численности 7.3 млн. Не лучше ситуация и в других республиках. Поэтому конфликт ирригации с энергетикой становится серьезным тормозом дальнейшего развития. Это является одной из главных причин резкого замедления экономического развития ориентированных на сельское хозяйство стран региона.
Анализ климатических факторов, определяющих многолетнюю изменчивость водного стока
Но развитие гидроэнергетики и переброска речного стока вовсе не требуют строительства крупных водохранилищ с глубоким регулированием речного стока [175, 183]. Это хорошо показывает прошлый опыт. Когда в 30-50-е годы ХХ-го века в Таджикистане началось освоение гидроэнергоресурсов только в целях энергетики, то строились деривационные Варзобский и Вахшский каскады ГЭС без водохранилищ. Не строятся ГЭС с водохранилищами и сегодня в ГБАО, где интересы ирригации незначительны. Объясняется все это элементарно просто. Если в условиях дефицита воды, как ресурса для ирригации, требуется «беречь каждую ее каплю», что невозможно без строительства крупных резервуаров, то при огромных неосвоенных ресурсах гидроэнергетики Таджикистана, обеспечение ее национальных интересов возможно и при частичном (постепенном) освоении гидроресурсов. Например, для ликвидации сегодняшнего дефицита электроэнергии в объеме 3-3,5 ТВт-ч. в год достаточно дополнительно освоить менее одного процента имеющихся ресурсов, составляющих 527 ТВтч. в год. Конечно, для этого совсем не обязательно строить крупные водохранилища, в крайнем случае, их сооружение (в верховьях каскадов ГЭС) можно отложить на более поздний срок.
Поэтому сегодня, в условиях дефицита электроэнергии, слабости национальной экономики и недостатка внутренних и внешних инвестиций, критериями использования гидроэнергетических ресурсов, отвечающими национальным интересам Таджикистана и Кыргызстана, могут быть только минимизация стоимости и сроков строительства объектов.
Что означает такая переориентировка интересов рассмотрим на примере освоения реки Вахш. Здесь, как и везде, в принципе возможны два варианта. Один из них - строительство сверхвысоких плотин, типа Рогун-ской, высотой 300-К350м. Второй - строительство более низких плотин. Конечно, высоту плотины нельзя уменьшать произвольно. Существует нижний предел высоты, меньше которой плотину практически невозможно построить, так как для этого необходимо создать котлован и перепустить воду в туннели с помощью строительных перемычек, по сути дела являющихся также плотинами, но упрощенной конструкции. Для того чтобы пропустить расходы реки в туннели строительные перемычки должны иметь определенную высоту. Для реки Вахш эта высота равна 35+40 м. Естественно, что и сама плотина, построенная затем под защитой строительных перемычек не может быть ниже самих этих перемычек. Из этих условий можно принять минимальную возможную высоту плотин в Вахш-ском речном бассейне равной 50 м. и все дальнейшие расчеты будем проводить в сравнении с этой минимальной высотой:
В условиях горных каньонов плотины любой высоты подобны друг другу и представляют собой призмы, у которых нижнее ребро перпендикулярно верхнему. Объем такой фигуры пропорционален кубу ее любого размера, в частности высоте . В соответствии с этим можно записать: м. Мощность ГЭС на одной и той же реке (Q = const) прямо пропорциональна напору, или практически равной ему высоте плотины. Но один и тот же энергетический эффект может быть достигнут как при строительстве одной плотины большей высоты, так и при строительстве нескольких плотин меньшей высоты, при условии:
Таким образом, для получения одинакового энергетического эффекта отношение объема одной высокой плотины к суммарному объему «п» плотин меньшей высоты будет определяться уравнением:
Эффект уменьшения объемов работ при замене одной плотины большей высоты на несколько более низких плотин, даже при условии обеспечения равного энергетического эффекта может быть очень существенным.
При этом сами объемы плотин, особенно при земляном их варианте могут быть очень значительными. Например, объем Рогунской плотины, высотой 335 м. равен 62,5 млн. м3. Например, замена плотины высотой 350 метров на плотины высотой 100 метров уменьшает общий объем в 12 с лишним раз.
В такой же пропорции уменьшается и суммарная стоимость нескольких меньших по высоте плотин по сравнению с одной высокой, точнее ее часть, относящаяся к прямым переменным затратам.
Очень важным дополнительным эффектом снижения высоты плотин является также резкое уменьшение площади затопления. Как уже отмечалось выше, негативные влияния гидроузлов на экологию связаны, прежде всего, с водохранилищами, а затопление земель, в свою очередь, основной фактор такого влияния. Площади отдельных водохранилищ, F, которые также, как и плотины в общем случае подобны друг другу, пропорциональны квадрату их высоты:
Например, при уменьшении высоты плотины с 350 метров до 100 метров, при одном и том же энергетическом эффекте общая площадь затопления уменьшается в 3,5 раза. Это очень важный показатель. На него в первую очередь обращает особое внимание Мировой Банк [80, 283].
В то же время, при условии обеспечения одного и того же энергетического эффекта, другие элементы и сооружения ГЭС от высоты плотин, практически не зависят. Все туннели, строительные и эксплуатационные, как линейные сооружения пропорциональны высоте плотины в первой степени, поэтому их общая высота для нескольких плотин будет та же самая, что и в варианте одной высокой плотины. Стоимости гидромеханического и электротехнического оборудования прямо пропорциональны их мощности, поэтому затраты на них также будут одни и те же для обоих вариантов.
Очень важным фактором являются также сроки строительства и ввода гидроузлов в эксплуатацию. При уменьшении высоты плотин с одновременным увеличением их количества здесь достигается эффект даже больший чем за счет уменьшения их объемов. Это связано с тем, что срок строительства гидроузла, как правило, определяется сроком строительства плотины. Поэтому, даже при последовательном строительстве нескольких плотин меньшей высоты срок строительства и пуск первой из них будет короче срока строительства одной высокой плотины пропорционально кубу отношения их высот. При параллельном, одновременном строительстве нескольких плотин таким же будет и сокращение их общего срока строительства.
Конечно, при варианте одной высокой плотины также возможно введение в строй ГЭС отдельными очередями, на промежуточных напорах. Но для этого необходима установка временного оборудования, которое в дальнейшем должно быть заменено постоянным. Это требует больших дополнительных затрат.
Большие преимущества имеет вариант меньших по высоте плотин и с точки зрения развития строительного комплекса. При таком подходе возможна организация каскадного строительства однотипных, во многом унифицированных гидроузлов, то есть по сути дела строительного конвейера. Снизятся требования к основанию и материалам плотин. В результате вместо уникальных сооружений будут строиться более простые. Причем такое строительство может стать массовым.
Еще один важный момент перехода к плотинам меньшей высоте и их унификации связан с оборудованием. В этом случае вместо именниково-го, изготавливаемого по индивидуальному заказу в единственном экземпляре гидромеханического оборудования будет использоваться также более простое, типовое, выпускаемое серийно.
Сделанный выше анализ показывает, что чем ниже плотина, тем выше экономический эффект от строительства гидроузла. Единственным ограничением при этом является пропуск строительных расходов. Для реки Вахш, например, как уже отмечалось выше, связанная с этим минимальная высота плотины равно 50м. Но такой вывод справедлив только для начальной стадии освоения гидроресурсов. В дальнейшем, при достаточной степени их освоения возникнет необходимость регулирования стока реки с целью наиболее полного его использования. Поэтому желательно уже в самом начале иметь высоту строящихся плотин такой, которая бы позволяла решить этот вопрос автоматически, за счет постепенного увеличения объема регулирования по мере их строительства водохранилищ. То есть необходимо выбрать высоту плотин таким образом, чтобы к завершению полного освоения водных ресурсов реки общий объем создаваемых всеми этими плотинами водохранилищ был достаточен для необходимой степени регулирования стока в интересах, прежде всего ирригации. Ниже рассматривается способ решения этой задачи также на примере реки Вахш. Общее количество плотин N, полностью использующих энергетические возможности реки, то есть ее суммарный перепад равно:
Общий бассейн реки Вахш состоит из трех бассейнов: реки Сурхоб, реки Обихингоу и собственно реки Вахш, образующейся после их слияния. В основном все эти реки располагаются на территории Таджикистана. Кроме того, в гидрографическую зону бассейна входит также территория Кыргызстана, где формируется 6,5% общего водного стока.
Математические модели оптимизации работы ГЭС
Осадки и температура воздуха, как уже отмечалось выше, являются результирующими показателями общих процессов изменения климата. При этом сложившиеся сегодня в мире представления практически однозначно оценивают возможные в перспективе изменения климата, как негативные для окружающей среды, общества и, естественно, водно-энергетического комплекса [165]. Это связывают с деградацией ледников, высыханием Аральского моря и образованием соляных ветров, распространяющихся вплоть до Памирских гор, вырубкой лесонасаждений, эрозией речных берегов и т.д. При этом сами оценки колеблются от умеренно-пессимистических до апокалипсических [174].
К сожалению, все они слабо подтверждены фактологическим материалом. Систематические наблюдения за ледниками в республике не производятся уже с 1986 года и, как показывают приведенные исследования линейного тренда крупных рек, точка зрения об их резком сокращении недостаточно обоснована. Нет никаких фактических данных и о соляных ветрах. Неоднозначна связь с климатом и других аналогичных факторов.
В этих условиях для получения объективных и достоверных оценок изменения климата используются многофакторные математические модели.
В нашем распоряжении в настоящее время имеется четыре таких модели-сценария изменения климата, разработанные западными специалистами: 1. CCC-EQ; 2. UKR; 3. GFDL - модель Лаборатории геофизической гидродинамики США; 4. Had СМ2 - модель Объединенного Королевства Англии.
Все они основаны на учете влияния эмиссии парниковых газов и дают оценку изменения климата по основным параметрам - температуре среды и атмосферным осадкам к концу 50-летнего периода. Можно отметить их очень большое различие друг от друга.
В общем виде матрица изменений климата по всем четырем сценариям в целом для республики, но для различных периодов года показана в табл. 2.7 и на рис. 2.66.
Для отдельных зон Таджикистана такие матрицы имеют аналогичный вид. Можно отметить, что разброс параметров для различных сценариев, особенно в отношении атмосферных осадков, очень велик и не позволяет сделать однозначные оценки. По сути дела, эти сценарии мало помогают в прогнозах изменения климата, так как требуют предварительного выбора какого-либо из них без достаточных для этого критериев. Этот вывод, кстати, полностью подтверждается Рамочной конвенцией ООН об изменении климата 1992 года, в которой отмечаются многочисленные неопределенности прогнозов изменения климата, в частности в отношении их сроков, масштабов и региональных особенностей.
В то же время непосредственный анализ показывает, что, увеличение количества осадков в регионе увеличивает общую водность рек, но уменьшает паводковые расходы. Последнее объясняется распределением изменения водности по году, приводящим к их большему выравниванию по сезонам. Кстати, такое положение отмечается и в сценариях изменения климата 1-4, рассмотренных выше.
В отличие от изменения атмосферных осадков, влияние температуры на водность рек, как уже отмечалось выше, существенно слабее. Это связано с тем, что наблюдаемые изменения температур очень незначительны, их общий диапазон равен 0,36 градуса Цельсия.
Для дальнейшего анализа в таблице 2.8 показана матрица фактических изменений климата и соответствующих откликов на них в виде гидрологических характеристик реки Вахш.
Эти данные показывают, что существуют достаточно тесные связи между изменением речного стока и паводковыми расходами, с одной стороны, и изменением количества атмосферных осадков с другой (рис. 2.67 и 2.68). При этом очень интересным является факт, что, как это не парадоксально на первый взгляд, но при росте водности снижаются риски, связанные с паводками - последние, как показывает рис. 2.68, снижаются.
Выполненный анализ позволяет предположить, что опасения об интенсивном таянии ледников и резком, на 30% изменении их объема за последние четверть века, по-видимому, являются несколько преувеличенными. Сделаем простой расчет. Общий объем льда в ледниках Таджикистана
Вся эта вода должна была бы пополнить речной сток, формируемый на территории республики, увеличив его за весь этот период в среднем почти на 10%. Это довольно серьезная прибавка и ее нельзя было бы не заметить. Но в действительности водность всех рек Таджикистана за последние 25 лет в среднем находилась в пределах нормы, а у крупных рек даже уменьшается.
С точки зрения безопасности для водных ресурсов не менее, а даже более важным является не сохранение, а использование их, в том числе, за счет развития гидроэнергетики.
Это объясняется тем, что не использованная природная энергия воды не сохраняется, а рассеивается в окружающей среде в виде негативных последствий и даже стихийных бедствий - наводнений, размывов берегов и разрушения сооружений. Поэтому «сохранение» водных и гидроресурсов, не принося никакой пользы, может быть причиной существенного ущерба окружающей среде. В то же время их освоение и комплексное использование для нужд гидроэнергетики и ирригации одновременно решает и вопрос безопасности.
Это можно показать на примере двух самых крупных рек Таджикистана - Пянджа и Вахша. Пяндж сегодня используется очень ограниченно в целях ирригации, энергетически он совершенно не освоен. На Пяндже нет крупных водохранилищ, и регулирование его стока не производится. Вахш в отличие от Пянджа практически полностью освоен как для гидроэнергетики, так и для ирригации - на нем построен крупнейший Ну-рекский гидроузел с водохранилищем общим объемом 10.5 км3 и ряд других, более мелких.
Более мелких наводнений, тем не менее связанных с серьезным ущербом, существенно больше. В Приложении 2.5 приведен список наводнений на реке Пяндж, официально зарегистрированных комитетом по чрезвычайным ситуациям и гражданской обороне при правительстве Республики Таджикистан за период с 1996 года. В этом списке 30 наводнений, приведших к серьезным ущербам, - это в 3.75 раза больше, чем в таблице 2.9, за тот же период 1996-2011 годов.
Таким образом, наводнения на реке Пяндж, если считать на единицу территории, происходят в 50 раз чаще, чем в среднем в мире. Такой повышенный риск нельзя отнести за счет увеличения водности реки, связанного с глобальным потеплением. Наоборот, водность крупных рек Таджикистана, и в первую очередь реки Пяндж, как показано выше, все последние десятилетия неуклонно снижалась. Повышение водности отмечается только для малых и средних рек.
В то же время на реке Вахш, ресурсы которой, как отмечено выше, полностью используются для гидроэнергетики и ирригации, за исследуемый период не было ни одного серьезного наводнения.
Таким образом, само использование водных ресурсов не только обеспечивает необходимое развитие экономики, но также служит эффективным средством защиты от паводков и наводнений.
Но конечно, речь не идет о любом использовании водных ресурсов. Защита окружающей среды при этом играет первостепенную роль. И гидроэнергетика, как показано в разделе 1.2.З., может также оказывать на экологию негативное воздействие, хотя и существенно более низкое, чем тепловая. Это необходимо учитывать при разработке стратегии ее развития.
Экономические регуляторы деятельности энергосистемы
Кроме того, нельзя не учитывать, что электроэнергия в народном хозяйстве не является конечной продукцией, а большей частью только сырьем, в крайнем случае, полуфабрикатом. В этом смысле можно провести аналогию с водой для сельского хозяйства. Никто не требует, чтобы подача воды сельхозпроизводителям приносила прямую прибыль, в больший 1 9 стве же случаев доставка воды дотируется государством . С учетом этого, не обязательно требовать, чтобы энергетика сама непосредственно приносила прибыль, важно только чтобы такую прибыль давало бы ее дальнейшее использование.
Отмеченные выше недостатки методики оценки экономической эффективности проектов связаны с тем, что она изначально рассчитана в основном на эффективное использование денег, а не на эффективное развитие производства, тем более такого, как долговременное развитие энергетики. При таком подходе развитие любой отрасли будет всегда проигрывать проектам быстрых денег - торговым сделкам. Более того, так как при этой методике основное значение играет скорость, гидроэнергетика также будет проигрывать нефтяной и газовой, и даже угольной энергетике. Поэтому, можно сказать, что в отношении гидроэнергетики методика оценки экономической эффективности с использованием дисконтирования затрат в какой-то мере антиэкологична.
Все это подтверждает, что для гидроэнергетики наряду с принятой сегодня методикой целесообразно одновременно использовать ранее применяемые, учитывающие прямые финансовые потоки, без дисконтирования. При этом, конечно, речь не идет об изменении мировых норм и правил. Но обращение к такой методике на национальном уровне, для применения к проектам развития, реализуемым за счет собственных средств, не только вполне возможно, но и целесообразно.
Взаимоотношения предприятий, собственников и целых отраслей народного хозяйства с государством очень сложны и находятся в состоянии постоянных изменений.
Основную роль при этом играют взимаемые государством налоги и сборы, то есть постоянные или разовые обязательные платежи, выполня 12 В частности, такое дотирование и всегда раньше и сейчас имеет место и в Таджикистане. ющие по отношению к плательщикам налогов как фискальные, так и регулирующие функции. Историческая практика показывает, что при этом непостоянны во времени, как сам состав налогов и сборов, так и их величины.
В разное время в разных странах мира имели место налоги на доход или на прибыль, НДС или налог с продаж, акцизы, и другие прямые и косвенные налоги. В отношении гидроэнергетики в Российской Федерации, например, рассматривался вопрос введения дополнительных рентных платежей. В Таджикистане обсуждается вопрос о введении для гидроэнергетики налога на воду. Нет единого мнения в отношении таможенных пошлин на экспорт-импорт электроэнергии, особенно в условиях сохранившегося со времен СССР прямого обмена электроэнергией с Республикой Узбекистан. Не решен в республике также до конца вопрос о том, что является налогооблагаемой базой НДС - товарная продукция или объем реализации.
Нельзя не упомянуть и о таком регулирующем налогообложение факторе, как себестоимость электроэнергии. Государство, жестко регулируя структуру себестоимости, тем самым регулирует и объем прибыли, а соответственно и налоги.
Даже этот, очень краткий анализ показывает, что сегодня невозможно спрогнозировать состав и величину конкретных налогов даже приближенно и даже на ближайшее будущее. Тем более это невозможно при разработке долгосрочной стратегии развития гидроэнергетики.
Но с другой стороны вся система налогообложения формируется исходя из основной цели - получения наибольшего эффекта - для государства, налогоплательщика и совокупного. Как известно, в экономическом смысле налоги представляют собой способ перераспределения новой стоимости - национального дохода и выступают частью единого процесса воспроизводства и специфической формой производственных отношений. Часть национального дохода, перераспределенная с помощью налогов, становится централизованным фондом финансовых ресурсов государства [142].
Исходя из этого, при экономическом анализе развития гидроэнергетики можно не рассматривать всю совокупность отдельных видов налогов, а исследовать влияние общего эффекта от налогообложения, то есть использовать в расчетах суммарный, «интегрированный» налог. Это дает возможность не только выполнять анализ для различных уровней этого общего налога, но позволяет также проводить анализ оптимизации самого уровня налогообложения [68, 175].
Именно такой подход использован в настоящей главе. При этом для большей наглядности и представительности результатов рассматривается весь возможный диапазон налогообложения прибыли гидроэнергетики - от О до 100% [157, 181].
Другим регулятором взаимоотношений гидроэнергетики с государством являются тарифы, устанавливаемые Правительством Республики. Так же, как и в налогообложении, здесь подвижны во времени и сама тарифная схема и величины тарифов.
Действующий сегодня тарифный Прейскурант предусматривает дифференциацию тарифов по большому кругу потребителей. Уже сейчас, пусть и неофициально, имеют место дифференцированные тарифы на зимнюю и летнюю электроэнергию, как для внутренних потребителей, так и для экспорта-импорта. Рассматривается вопрос о дифференциации суточных тарифов на электроэнергию, введении дневных и ночных тарифов. Имеют место оплата и косвенные поступления в энергосистему платежей за регулирование частоты, регулирование режима водного стока водохранилищами, транзит электроэнергии и пр.
И во всех этих случаях сами значения тарифов и цен за услуги постоянно меняются. Поэтому, и в отношении тарифов - так же, как и в отношении налогов невозможен надежный прогноз на будущее. В связи с этим и для них при разработке математической модели развития гидроэнергетики применен тот же подход - сведение всех тарифов в один общий «интегрированный» тариф и рассмотрение разных вариантов его изменения во времени.
И, наконец, разработка математической модели экономического развития энергетики выполнена без учета инфляции, которую, как показал исторический опыт последнего времени невозможно надежно ни рассчитать, ни предсказать. Поэтому все расчеты, приведенные ниже, сделаны для «приведенных» значений цен и стоимостных параметров, без учета инфляции. Последнюю, в случае необходимости, можно будет ввести в дальнейшем в виде обычных коэффициентов.
