Гидроэнергетические ресурсы - это часть водных ресурсов терри­тории, которая может быть использована для производства энергии.

Гидравлическая энергия рек обусловлена проекцией силы тяжести на направление движения потока воды, которая определяется разностью уровней воды в начале и в конце рассматриваемого участка реки. При разности уровней Н [м] на длине участка l [м] и среднем расходе воды Q [м /с], мощность водотока Р [Вт] составит:

Р =pgQH = 9810QH [Вт] ,

3 2

где р - плотность воды, кг/м ; g - ускорение свободного падения, м/с.

Следовательно, гидроэнергетические установки осуществляют энергетическое преобразование либо напора воды, либо водности при некоторой минимальной скорости течения.

Для определения полезной мощности, производимой гидростан­цией, учитывают результирующий коэффициент полезного действия ус­тановки, состоящей из гидротурбины, генератора, системы стабилиза­ции напряжения.

Как для ветроэнергетики, гидроэнергетический потенциал водо­токов региона подразделяется на теоретический или валовый, техниче­ский и экономический.

Величина валовой потенциальной энергии водотока на участке реки длиной l, вырабатываемой за время Т [час], равна

Wl = 9,81QHT [ккВ • ч].

Расход воды по длине участка непостоянен, поэтому обычно ис­пользуется линейное приближение изменения расхода вдоль участка:

Q _ Q1 + Q 2 ^ср 2 ’

где Q1, Q2 - расходы в начале и конце анализируемого участка водо­тока.

Таким образом, последовательно разбивая водоток на характер­ные участки, производится определение теоретического потенциала со­ответствующих участков и суммарного энергетического потенциала во­дотока. Границы участков обычно соответствуют местам изломов про­дольного профиля русла водотока. В качестве примера на рис. 4 приве­ден продольный профиль одной из малых рек Томской области [19].

Расчет продольного профиля водотока как правило производится с помощью топографических карт масштаба не менее 1:100 000 [19]. Расчет расхода воды в каждом характерном створе может проводиться различными способами. Очевидный вариант - обработка многолетних наблюдений. Если таких данных нет, то следует использовать карты ис-

следуемой территории масштаба 1:100000 с изолиниями модулей сред­негодового стока М [л/(с-км )]. Для определения среднемноголетней нормы годового стока реки следует оконтурить территорию ее бассейна до рассматриваемого пункта и вычислить искомую величину как сред­невзвешенное по оконтуренной водосборной площади значение модуля.

Кроме указанных, существуют и другие способы расчета кадаст­ров водотоков [18].

Обычно водность рек, а с ней и гидроэнергетический потенциал сильно меняется по сезонам и месяцам. В частности для Томской облас­ти выделяются три гидрологических сезона: весеннее половодье, летне­осенний сезон и зимняя межень [19]. Минимальные расходы воды на­блюдаются зимой, соответственно зимний сезон считается для гидро­энергетики лимитирующим.

Наибольшая водность характерна для весеннего половодья. Во время снеготаяния, интенсивность которого в лесной зоне сравнительно невелика, огромное количество воды аккумулируется в поймах рек, озе­рах, болотах и других естественных резервуарах на поверхности терри­тории. Одновременно происходит аккумуляция воды и в подземных во­доносных горизонтах, сложенных рыхлыми породами. Эти запасы под­держивают высокую водность рек в течение длительного времени, по­этому половодье получается большим по объему и растянутым во вре­мени. Увеличивают продолжительность половодья и подпорные явле­ния на устьевых участках притоков со стороны рек - водоприемников.

Фронт наступления половодья продвигается с юга на север. На юге оно начинается в середине апреля, а на севере и северо-востоке - в последней декаде этого месяца. Продолжительность половодья состав­ляет 50...100 дней и зависит от его водности, величины реки, района

области. Во время половодья на реках проходит 40...50 % годового сто­ка северных рек и 60.70 % южных.

Летние и осенние осадки формируют дождевые паводки и попол­няют запасы подземных вод. В результате на реках Томской области, бассейны которых находятся в лесной зоне, создается более выровнен­ное, чем в других зонах внутригодовое распределение стока.

Летне-осенний сезон на юге области начинается после спада по­ловодья в июне-июле. В северных районах области этот сезон начина­ется на 20.30 дней позднее. Продолжительность сезона уменьшается с юга на север от 140 до 95 суток, а доля стока в общем объеме за год воз­растает соответственно с 10 до 30 % [19].

Некоторые малые реки со слабым подземным питанием, при от­сутствии дождей, летом могут пересыхать.

Начало зимней межени определяется по началу ледостава. Это самый продолжительный гидрологический сезон, начинающийся в кон­це октября на северо-востоке области и в начале ноября на юге и про­должающийся, соответственно от 190 до 170 суток. В этом же направ­лении - с севера на юг с 10 до 20 % возрастает доля зимнего стока в го­довом ходе.

Продолжительные ледовые явления существенно ограничивают возможности практического использования гидроэнергии с помощью малых гидроэлектростанций.

Технический потенциал представляет собой часть валового по­тенциала энергии водотока. В традиционной гидроэнергетике техниче­ский потенциал определяется как валовый, уменьшенный на величину потерь гидроэнергии в процессе ее преобразования в электроэнергию на ГЭС, а также потери от неиспользуемых участков водотока, различные потери в водохранилище и др.

Таким образом, в гидроэлектростанциях плотинного типа техни­ческий потенциал гидроэнергии - это энергетический максимум гене­рируемой электроэнергии, который может быть получен на данном во­дотоке с использованием современных технических средств и техноло­гий энергопреобразования.

Кроме плотинных ГЭС в малой гидроэнергетике, особенно класса микроГЭС, широко распространены деривационные и русловые гидро­энергоустановки. Такие ГЭС используют только часть руслового стока и, как правило, осуществляют его регулирование. В этом случае поня­тие технический потенциал практически не имеет смысла и следует рас­сматривать энергетические характеристики собственно микрогидро­электростанции.

Следует отметить перспективность бесплотинных гидроэнергоус­тановок в микрогидроэнергетике, определяемую их экологичностью, простотой конструкции и малой стоимостью при достаточно высоком уровне надежности и качества электроснабжения потребителей.

Для практического применения бесплотинных ГЭС часто весьма эффективны малые реки. Кроме гидроэнергетического потенциала ре­гиона, для таких микроГЭС весьма важно выявление участков рек и территорий, подходящих для локального использования гидроэнергии: большие перепады отметок местности, высокая водность и скорость те­чения. Локальная оценка факторов, определяющих гидроэнергетический потенциал, позволяет обеспечить достаточно корректное согласование ме­жду его общими оценками и возможностями энергетического использова­ния водотока с максимальной технико-экономической эффективностью.

Возможности использования гидроэнергии в значительной степе­ни определяются реализуемым напором воды, который, прежде всего, зависит от рельефа местности, определяющего продольные уклоны рек на разных участках. Реки Западно-Сибирской равнины прокладывают свои русла в сравнительно легко размываемых рыхлых грунтах. Поэто­му продольный профиль их русла стремится к профилю равновесия, ко­торый характеризуется максимальными уклонами реки в верховьях с постепенным их уменьшением по направлению к устью. Однако разли­чие в устойчивости подстилающих пород к размыву приводят к нару­шению плавной формы продольного профиля русла. Например, на рис.

4 показано изменение уклона русла реки Киевский Еган по ее продол­жительности [19].

Увеличения уклонов рек обычно характерны для участков пересе­чения поднимающихся тектонических структур. Там, где скорость под­нятия превышает интенсивность врезания реки, уклоны русла увеличи­ваются, а долина становится более узкой. Уклоны малых рек часто мо­гут быть более высокими.

В качестве примера, на рис. 5 показаны аномальные уклоны рек Томской области [19]. Выделенные участки потенциально пригодны для размещения гидроэнергетических установок.