Оценка низконапорного гидроэнергетического потенциала водозаборных сооружений и ирригaционных каналов

Введение. Стремительный рост мирового населения и увеличение спроса на электроэнергию усиливают давление на природные ресурсы и обостряют глобальные экологические проблемы [1-3]. Переход к возобновляемым источникам энергии рассматривается как ключевое направление снижения выбросов парниковых газов и обеспечения энергетической устойчивости, способствующее также созданию новых рабочих мест и развитию локальной инфраструктуры [4-6]. В системе возобновляемой энергетики важное место занимают малые гидроэнергетические установки (МГЭУ), способные эффективно использовать энергетический потенциал низконапорных водотоков - рек, оросительных каналов и технологических сооружений водохозяйственных систем. В дополнение к традиционным видам ВИЭ возрастающий интерес обращён к гидроэнергетике, интегрируемой в существующие водозаборные сооружения и инженерные узлы, где искусственный перепад воды является устойчивым, предсказуемым и круглогодичным ресурсом [7]. К водозаборным сооружениям, представляющим интерес для энергетического использования, относятся входные гидроузлы, водоприёмные камеры, перегородки, регулирующие затворы и распределительные гидротехнические конструкции. Такие узлы формируют стабильные перепады и контролируемый расход, что делает их перспективными точками для размещения малых гидроэнергетических установок без существенного вмешательства в работу ирригационной системы [8, 9]. Вместе с тем дальнейшее строительство крупномасштабных гидроэлектростанций ограничено сокращением доступных площадок и возрастанием экологических требований, что повышает актуальность локальной энергетической генерации на основе малых ГЭС, интегрируемых в существующую гидротехническую инфраструктуру. Особое значение в этом контексте приобретает Аму-Бухарский машинный канал (АБМК), являющийся ответвлением реки Амударья и обеспечивающий водоснабжение Бухарской и частично “Fan va texnologiyalar taraqqiyoti” Ilmiy-texnikaviy jurnal №1/2026 381 Ecology and environmental protection Навоийской областей Узбекистана. Канал начинается в районе гидроузла «Двойник» (39.219845, 63.719540) и включает разветвлённую систему магистральных и межхозяйственных каналов, в составе которых функционирует большое количество водозаборных и регулирующих сооружений различного типа. Для эффективного внедрения малых гидроэнергетических установок в условиях АБМК необходима комплексная оценка гидравлических характеристик водозаборных сооружений - величины перепадов, расхода, скорости течения, профиля водотока, а также анализа режима работы затворов и водоподачи в различные сезоны. Ранее исследователями Бухарского инженерно-технологического института была выполнена первичная оценка гидроэнергетического потенциала магистральных и межхозяйственных каналов региона с использованием схемы линейного расположения каналов, предоставленной управлением АБМК, и спутниковых данных Google Earth Pro. На основе этих данных была построена схема (рис. 1), позволяющая идентифицировать участки каналов с потенциальным энергетическим ресурсом. Рис. 1. Схема расположения основных магистральных и межхозяйственных каналов Бухарской области С учётом того, что водозаборные сооружения и распределительные гидроузлы формируют устойчивые перепады уровня и имеют удобную инженерную инфраструктуру для размещения малых энергетических модулей, их использование представляет значительный интерес для низконапорной гидроэнергетики региона. В данной работе рассматривается возможность применения малых гидроэнергетических установок, в том числе водяных колёс различного конструктивного исполнения, которые являются наиболее эффективными для работы в условиях низких напоров и умеренных расходов, характерных для оросительных каналов и водозаборных узлов Бухарской области. Development of science and technology Scientific and technical journal №1/2026 382 Ekologiya va atrof muhit muhofazasi Цель исследования: комплексно оценить низконапорный гидроэнергетический потенциал водозаборных сооружений и оросительных каналов Бухарской области, определить перспективные точки для размещения малых гидроустановок и разработать конструкцию водяного колеса, адаптированную к выявленным гидравлическим условиям. Задачи исследования: определить критерии отбора перспективных гидроэнергетических точек с учётом перепада, расхода, доступности и влияния на гидрорежим и экологию. Сформировать базу данных выявленных точек с координатами, параметрами водотока и инфраструктурными условиями. Выполнить расчёт теоретической и технически доступной мощности и оценить суммарный низконапорный потенциал региона. Разработать рекомендации по внедрению малых гидроэнергетических установок на основе водяных колёс и определить направления дальнейших исследований. Объекты исследования и характеристика гидротехнических сооружений. В рамках настоящего исследования были идентифицированы и обследованы десять точек с действующими гидротехническими сооружениями и участками каналов, обладающих потенциальной возможностью размещения малых гидроэнергетических установок. Отбор объектов осуществлялся с учётом наличия устойчивого водотока, эксплуатационных перепадов уровня, конструктивных особенностей сооружений, а также близости к потребителям электроэнергии. Для каждой точки были определены ключевые параметры: средний расход воды, скорость течения, глубина канала, ширина русла, доступный напор и годовая продолжительность подачи воды. Особое внимание уделялось ирригационным каналам Бухарской области, где круглогодичное водоснабжение обеспечивает благоприятные условия для низконапорной гидроэнергетики. Представленные ниже краткие описания объектов позволяют комплексно оценить их энергетический потенциал и служат основой для дальнейших расчётов в методологическом разделе. В последующем анализе каждая из двенадцати точек рассматривается с позиции возможности интеграции водяных колёс в существующую инфраструктуру, что позволяет выделить наиболее перспективные сооружения для детального технико-энергетического моделирования. На рисунке 2 представлена одна из обследованных точек, характеризующая типичный пример гидротехнического сооружения, включённого в анализ. Рис. 2. Водозаборное сооружение «Абумуслим» (Гиждуванский район) Данный объект относится к категории мелких водозаборных сооружений с устойчивым сезонным режимом подачи воды, что делает его показательным для оценки потенциала малой гидроэнергетики в ирригационной системе региона. Потенциальная “Fan va texnologiyalar taraqqiyoti” Ilmiy-texnikaviy jurnal №1/2026 383 Ecology and environmental protection гидроэнергетическая мощность участка предварительно оценена на уровне порядка 10 кВт, что обусловлено наличием выраженного перепада и стабильного расхода воды. Продолжительность водотока составляет около 300 дней в году, обеспечивая высокий коэффициент доступности и благоприятные условия для круглогодичного энергоснабжения. Скорость потока достигает примерно 1,5 м/с, что допускает применение низконапорных установок - в частности, водяных колёс или пропеллерных турбин, предназначенных для работы при умеренных скоростях течения. Близость объекта к населенному пункту (около 0,5 км) снижает вероятность увеличения капитальных затрат на подключение и повышает интеграционную привлекательность данного участка. На рисунке 3 представлено водораспределительное сооружение со стабильным водотоком, позволяющее оценить потенциальную мощность участка примерно в 10 кВт. Продолжительность водоподачи достигает 330 дней в год, что формирует благоприятные условия для установки малых гидроэнергетических систем. Скорость течения порядка 1,2 м/с делает возможным применение низконапорных технологий, включая водяные колёса. Близость населённого пункта (около 0,3 км) дополнительно повышает практическую доступность объекта. Рис.3. Водораспределительное сооружение «Жилвон» (Гиждуванский район) На рисунке 4 представлено водозаборное сооружение с чётко выраженным перепадом уровня, обеспечивающим значительный гидроэнергетический потенциал участка – порядка 5 кВт. Продолжительность водотока составляет около 320 дней в году, что делает объект перспективным для стабильной работы малой ГЭС. Скорость течения на уровне 1,5 м/с позволяет применять как низко-, так и средненапорные турбинные решения. Удалённость ближайшего населённого пункта на 2 км требует дополнительного учета инфраструктуры при интеграции вырабатываемой энергии. Рис 4. Водозаборное сооружение «Хачкаб» (Гиждуванский район) Development of science and technology Scientific and technical journal №1/2026 384 Ekologiya va atrof muhit muhofazasi Представленное на рисунке 5 водораспределительное сооружение характеризуется заметным гидроэнергетическим потенциалом, который оценивается примерно в 90 кВт. Продолжительность водотока в пределах 300 дней обеспечивает устойчивые условия для эксплуатации малой ГЭС, а скорость течения до 5-6 м/с создаёт благоприятные предпосылки для применения низконапорных турбин или водяных колёс повышенной эффективности. Расстояние до ближайшего населённого пункта составляет около 1 км, что делает подключение генерируемой мощности технически доступным и экономически оправданным. Рис. 5. Водораспределительное сооружение «Коза» (Вабкентский район) На участке, представленном на рисунке 6, на выходе из напорного трубопровода насосной станции формируется устойчивый падающий поток, создающий благоприятные условия для использования малых гидротурбин. Потенциальная мощность оценивается в диапазоне 20-30 кВт и определяется фактическим расходом воды и величиной перепада. Продолжительность водотока составляет около 300 дней, что обеспечивает высокий коэффициент использования установленной мощности. Скорость потока достигает 3 м/с, позволяя применить низконапорные импульсные турбины. Расстояние до ближайшего населённого пункта (2 км) требует дополнительной оценки инфраструктурных решений при подключении генерируемой энергии. Рис. 6. Насосная станция «Жаркок» (Караулбазарский район) На объекте, представленном на рисунке 7, формируется устойчивый падающий поток с высоты около 1,5 м, создаваемый работой насосной станции. Потенциальная мощность участка составляет порядка 30 кВт, при этом водоток наблюдается около 300 дней в году, что обеспечивает надёжность эксплуатации малой гидроэнергетической установки. Скорость истекающей воды достигает 2 м/с, что позволяет эффективно использовать низконапорные “Fan va texnologiyalar taraqqiyoti” Ilmiy-texnikaviy jurnal №1/2026 385 Ecology and environmental protection импульсные турбины или вертикальные водяные колёса. Расстояние до ближайшего населённого пункта (2 км) требует предварительной оценки оптимальной схемы подключения генерируемой электроэнергии. Рис. 7. Насосная станция «Дўстлик» (Караулбазарский район) На участке канала «Шохруд», представленном на рисунке 8, наблюдается стабильный водоток и ряд малых перепадов, позволяющих разместить пять установок по 5 кВт, каждая с суммарным потенциалом около 25 кВт. Водоподача продолжается примерно 300 дней в году, что обеспечивает высокий коэффициент использования мощности. Скорость течения 1,3 м/с позволяет применять низконапорные турбины или водяные колёса осевого типа. Расстояние до ближайшего населённого пункта составляет 1,5 км, что делает подключение вырабатываемой энергии технически выполнимым. Рис. 8. Канал «Шохруд» (Каганский район) На участке канала «Кобдун», представленном на рисунке 9, наблюдается стабильный водоток и достаточная скорость течения, что создаёт условия для размещения малой гидроэнергетической установки. Потенциальная мощность оценивается на уровне около 5 кВт, что обусловлено устойчивым расходом и геометрическими характеристиками канала. Вода подаётся примерно 300 дней в году, обеспечивая продолжительный эксплуатационный период. Скорость потока достигает 1,8 м/с, что позволяет применять низконапорные турбины или водяные колёса, чувствительные к изменениям скорости. Расстояние до ближайшего населённого пункта составляет 1,5 км, что требует анализа оптимальной схемы подключения вырабатываемой энергии. Development of science and technology Scientific and technical journal №1/2026 386 Ekologiya va atrof muhit muhofazasi Рис. 9. Канал «Кобдун» (Бухарский район) Рис. 10. Водораспределительное сооружение «Бош Шофиркон» (Шафирканский район) Водораспределительное сооружение «Бош Шофиркон», представленное на рисунке 10, характеризуется стабильным водотоком и выраженным низконапорным потенциалом, оцениваемым примерно в 40 кВт. Скорость движения воды достигает 1,5 м/с, что позволяет эффективно применять низконапорные турбины или водяные колёса. Устойчивый расход обеспечивает возможность круглогодичной эксплуатации малой гидроэнергетической установки. Ближайший населённый пункт находится на расстоянии около 2 км, что требует предварительной оценки технических условий для подключения вырабатываемой электроэнергии. Водозаборное сооружение, расположенное по координатам 39.865177, 64.522381 и представленное на рисунке 11, обладает высокими гидравлическими параметрами и стабильным круглогодичным водотоком, обеспечивающим водоснабжение города Бухары. Скорость движения воды достигает 4-6 м/с при расходе 1-20 м³/с и напоре 0,5-2 м, что создаёт благоприятные условия для установки энергоэффективной низконапорной турбины. Потенциальная мощность участка оценивается на уровне около 50 кВт, что позволяет обеспечить устойчивую круглогодичную генерацию электроэнергии. Благодаря сочетанию высокой скорости потока и надёжного водообеспечения, данный объект является одним из наиболее перспективных для внедрения малой гидроэнергетики в регионе. Рис. 11. Водозаборное сооружение на канале «Кобдун» (посёлок Галаосиё) “Fan va texnologiyalar taraqqiyoti” Ilmiy-texnikaviy jurnal №1/2026 387 Ecology and environmental protection Методология. При оценке низконапорного энергетического потенциала каналов и водозаборных сооружений используется классическая гидравлическая модель потенциальной мощности потока. Теоретическая мощность определяется через произведение расхода, плотности воды, ускорения свободного падения и доступного напора [11-13]. В инженерной практике данное выражение служит основой для всех последующих оценок и корректируется с учётом гидравлических потерь и коэффициента полезного действия оборудования. Теоретическая мощность потока выражается формулой: 𝑃теор = 𝜌𝑔𝑄𝐻 (1) где 𝑃теор - теоретическая мощность, Вт; 𝜌 - плотность воды, (обычно 1000 кг/м3; 𝑔 - ускорение свободного падения, (9,81 м/с2) 𝑄 - расход воды, м3/с; 𝐻 - доступный напор, м. Формула (1) широко используется в отечественных и зарубежных исследованиях малой гидроэнергетики, особенно для каналов и оросительных сооружений [11], [14]. Реальный электрический выход учитывает суммарные преобразовательные потери: эффективность гидроагрегата (в нашем случае - нижнебойного водяного колеса 𝜂т) и эффективность генератора 𝜂ген. Введём суммарный КПД системы: 𝜂общ = 𝜂т · 𝜂ген (2) Для нижнебойного водяного колеса типично 𝜂т ≈0,3 [12,15], для генератора 𝜂т ≈0,9 (малые синхронные электрогенераторы), следовательно 𝜂общ ≈0.27. Электрическая мощность определяется как 𝑃эл = 𝜂общ · 𝑃теор (3) Здесь 𝑃эл - электрическая мощность на выходе, Вт. Формулы (1)-(3) приняты в отечественной и международной практике оценки малой гидроэнергетики [11-13,15]. Расход 𝑄 получают либо прямым измерением поперечного сечения и средней скорости, либо по гидравлическим формулам. При прямом измерении 𝑄= 𝐴· 𝜗 (4) где 𝐴 - площадь живого сечения потока, м²; 𝑣 - средняя скорость потока, м/с [13]. Геометрический напор 𝐻г отличается от эффективного напора 𝐻э из-за гидравлических потерь; для инженерных расчётов следует учитывать суммарные потери ℎпот: 𝐻э = 𝐻г −ℎпот (5) или в более точной кинетической записи 𝐻э = 𝐻г + 𝜗𝑖𝑛 2 −𝜗𝑜𝑢𝑡 2 2𝑔 −ℎпот (6) где 𝑣𝑖𝑛 и 𝑣𝑜𝑢𝑡 - средние скорости до и после установки; ℎпотвключает трение, местные вихревые потери и потери на входе/выпуске [13,16]. Годовая энергия рассчитывается через мощность и время работы. В соответствии с принятым допущением для эксплуатационных расчётов принимаем эффективное время работы установки 𝑡= 8000 ч/год (остаток года резервируется на обслуживание и ремонты). Тогда годовая энергетическая выработка равна: 𝐸г = 𝑃эл · 𝑡 (7) Результаты исследования. На рисунке 12 приведена линейная зависимость электрической мощности малой гидроустановки от расхода воды при постоянном напоре 𝐻= 1,5м. Характер зависимости строго пропорциональный: увеличение расхода приводит к равномерному росту мощности. На рисунке отмечена расчётная точка водозаборного сооружения Кобдун (Q=5 м³/с), для которой при суммарном КПД 𝜂общ = 0,27 электрическая мощность составляет 𝑃= 20 кВт. График демонстрирует высокий потенциал увеличения мощности при росте расхода, что особенно важно для ирригационных каналов с сезонно изменяющимся объёмом подачи воды. Development of science and technology Scientific and technical journal №1/2026 388 Ekologiya va atrof muhit muhofazasi Рис.12. График зависимости электрической мощности от расхода потока воды График зависимости, представленный на рисунке 13 отражает линейный рост годовой выработки электроэнергии малой ГЭС при увеличении напора. Увеличение напора даже на 0,5-1 м существенно изменяет энергетический потенциал участка. Расчётная точка Кобдун (H=1,5 м) показывает годовую выработку около 159 МВт·ч при расходе 5 м³/с. График подчёркивает важность инженерных решений, позволяющих увеличить эффективный напор даже при малых геометрических перепадах. Рис.13. График зависимости готовой теоретической выработки электроэнергии от расхода потока воды На рисунке 14 представлено влияние напора на электрическую мощность для двух характерных расходов ирригационных каналов. Линейные кривые показывают, что при одинаковом увеличении напора канал с большим расходом (Q=8 м³/с) демонстрирует более высокую мощность на каждом уровне напора Н. Разница между линиями визуализирует важную гидроэнергетическую характеристику: масштабирующий эффект расхода. При напоре 1,5 м, например, мощности составляют около 20 кВт (Q=5 м³/с) и около 32 кВт (Q=8 м³/с). Таким образом, график подчёркивает, что энергетическая эффективность участка “Fan va texnologiyalar taraqqiyoti” Ilmiy-texnikaviy jurnal №1/2026 389 Ecology and environmental protection определяется одновременно обоими параметрами - и расходом, и напором, а их совместная оптимизация даёт максимальный эффект. Рис.14. График зависимости электрической мощности от напора для двух расходов потока воды На основе проведённой оценки низконапорного гидроэнергетического потенциала предлагается внедрение малых гидроэнергетических установок с водяными колёсами нижнего боя, которые наиболее эффективно работают в условиях небольших напоров и стабильных расходов, характерных для оросительных каналов и водозаборных сооружений Бухарской области. Использование таких установок целесообразно в точках с перепадом уровня 0,5-2 м и расходами воды от 1 до 10 м³/с, где расчёты показали технически достижимую мощность 30-100 кВт. Рекомендуется применять модульные конструкции с упрощённым обслуживанием и возможностью быстрой установки без изменения гидротехнической структуры каналов. Для обеспечения устойчивой генерации следует учитывать сезонные колебания расхода воды, интеграцию с локальными нагрузками и требования по экологической безопасности. Дальнейшие исследования должны быть направлены на оптимизацию профиля лопастей колеса для повышения КПД, разработку адаптивных систем регулирования при изменяющемся потоке, а также техникоэкономическую оценку гибридных систем, сочетающих малую гидроэнергетику с другими возобновляемыми источниками энергии. Заключение. Исследование показало, что система каналов и водозаборов Бухарской области обладает значительным низконапорным потенциалом для размещения малых ГЭС. Даже при небольших напорах и умеренных расходах возможно получение до 100 кВт на отдельных объектах. Наиболее перспективны сооружения с устойчивым водотоком и напором 0,5-2 м. Применение модульных водяных колёс позволяет обеспечить выработку энергии без серьёзного вмешательства в существующую инфраструктуру. Рекомендуются дальнейшие исследования, направленные на повышение эффективности колёс и адаптацию установок к сезонным изменениям расхода воды