Содержание к диссертации
Введение
Анализ литературы и задачи исследования 6
1.1 Влияние зарегулирования стока рек и озёр на экологическое состояние водоёмов 7
1.2 Результаты некоторых исследований по оценке травмирования и гибели гидробионтов в проточных каналах гидротурбин 10
1.3 Последствия воздействия ГЭС на экологические системы рек 16
1.4 Постановка задачи исследования 25
2. Главные факторы воздействия потока в гидромашинах на гидробионты. Расчетная модель воздействия и её решение 29
2.1. Математическая модель рабочего процесса в проточном канале турбины ГЭС и представление воздействия потока на гидробионты 29
2.2. Воздействие перепада давления на рыб в проточных каналах ГЭС 34
2.3. Воздействие кавитации на гидробионты в рабочей камере турбины ГЭС и причины её возникновения 38
2.4. Травмирование рыб при их контакте с конструктивными элементами турбин 44
2.5. Главные факторы воздействия потока на гидробионты 45
3. Лэрацнониый метод защиты гидробионтов в проточных каналахгидромашин 47
3.1. Физическая модель аэрационной защиты гидробионтов и её решение. 47
3.2. Аэрационная установка 55
3.3. Алгоритм расчёта воздействия потока на гидробионты в камере рабочего колеса вертикальной поворотно-лопастной турбины (тип Каплан) 59
3.4. Алгоритм расчета воздействия потока на гидробионты в камере рабочего колеса вертикальной радиально-осевой турбины (тип Френсис) 65
3.5. Алгоритм расчёта воздействия потока на гидробионты в камере рабочего колеса капсульной поворотно-лопастной горизонтальной турбины 69
4. Результаты расчётов воздействия турбин ГЭС на гидробионты в штатных режимах и с аэрационнои защитой и сопоставление с результатами экспериментальных исследований 74
4.1. Расчёт перепадов давлений в камере рабочего колеса радиально-осевых турбин (тип Френсис) на Усть-Илимской ГЭС 75
4.2. Результаты натурных исследований аэрационнои защиты планктона в радиально-осевых турбинах Усть-Илимской ГЭС и анализ воздействия потока на гидробионты 78
4.3. Расчёт перепадов давлений в камере рабочего колеса вертикальных поворотно-лопастных турбин (тип Кагшан) Волжской и Саратовской ГЭС 98
4.4. Результаты натурных исследований аэрационнои защиты ихтиофауны и планктона в вертикальных поворотно-лопастных турбинах Волжской и Саратовской ГЭС и анализ воздействия потока на гидробионты 105
4.5. Расчёт перепадов давлений в камере рабочего колеса капсульной поворотно-лопастной горизонтальной турбины Шекснинской ГЭС 128
4.6. Результаты теоретических и натурных исследований. Анализ воздействия потока на гидробионты в капсульной поворотно-лопастной горизонтальной турбины Шекснинской ГЭС 132
4.7. Обработка результатов исследований 138
4.8. Влияние аэрации потока на эксплуатационные характеристики гидротурбин 145
4.9. Оценка наносимого ущерба рыбному хозяйству при эксплуатации
ГЭС 151
5. Выводы 154
Список используемой литературы 156
Приложение 165
- Результаты некоторых исследований по оценке травмирования и гибели гидробионтов в проточных каналах гидротурбин
- Воздействие перепада давления на рыб в проточных каналах ГЭС
- Алгоритм расчёта воздействия потока на гидробионты в камере рабочего колеса вертикальной поворотно-лопастной турбины (тип Каплан)
Результаты некоторых исследований по оценке травмирования и гибели гидробионтов в проточных каналах гидротурбин
Физические формы антропогенного воздействия весьма разнообразны и связаны как с прямым уничтожением рыб и планктона и их мест обитания, так и с косвенным их угнетением. Одной из таких форм воздействия является зарегулирование стока рек гидроэлектростанциями.
Зарегулирование рек обуславливается созданием плотин и водохранилищ, что влечет за собой сезонное, суточное или многолетнее перераспределение стока.
В настоящее время в мире насчитывается около 13 тыс. (в бывшем СССР около 4 тыс.) водохранилищ объемом более 1 млн. м , из них 2442 (в бывшем СССР - 237) имеют объем более 100 млн. м .
В результате строительства водохранилищ зарегулирован сток большинства рыбохозяйственных рек мира. Еще более негативное воздействие гидростроительства сказывается при создании каскада плотин (например, на Волге 11 плотин). В бассейне реки Колумбия имеется 160 плотин, а всего на тихоокеанском побережье США используются 92 % водных ресурсов. Зарегулирование стока рек резко изменяет их гидрологические характеристики и приводит к превращению логических экосистем в лимнические. При этом происходит исчезновение или резкое сокращение численности и ареалов реофильных и диадромных рыб. Плотины резко изменяют условия миграций рыб. Нерестовые миграции против течения приостанавливаются плотинами, что ведет к прекращению естественного воспроизводства, а покатные заканчиваются гибелью рыб в турбинах ГЭС и в водохранилище. У туводных рыб вместо единого стада образуются два стада - выше плотины и ниже ее. Зарегулирование стока, как правило, ведет к разрушению популяционнои системы воспроизводства проходных и многих жилых видов рыб.
Анадромная миграция рыб в зарегулированных реках прекращается под первыми плотинами в каскаде гидроузлов. Величина наносимого ущерба зависит от доли нерестилищ, утраченных вследствие гидротехнического строительства. При этом зарегулирование стока в нижних участках рек имеет особенно негативные последствия, угрожая исчезновением или резким сокращением отдельных популяций и видов (проходных или полупроходных). Например, на Волге для проходных рыб после строительства Волгоградской плотины (около 700 км от моря) оказались отрезанными практически 100 % нерестилищ белорыбицы и белуги, 85 % осетра и 70 % проходных сельдей. Из 3600 га естественных нерестилищ осетровых осталось только 395 га. Лишь на двух плотинах (Волгоградской и Саратовской) есть рыбопропускные сооружения. Однако заиленность большей части вышележащих нерестилищ и отсутствие течения делают пропуск осетровых через эти сооружения практически бесполезным. И на сегодняшний день эти рыбопропускные сооружения не функционируют.
Не только плотины, но и само регулирование стока в течение суток или сезона оказывает мощное влияние на рыб. Так, регулирование в течение суток вызывает резкие колебания уровня воды, ведет к осушению прибрежных мелководий и к гибели икры и молоди рыб.
Особенно сильное влияние оказывают сезонная деформация стока, его межсезонное перераспределение и уменьшение весеннего паводка, приходящегося на период нерестовых миграций и размножения рыб. При этом снижаются стимулирующее воздействие стока и привлечение в реку физиологически подготовленных производителей; исключается затопление береговых нерестилищ в реке, своевременное залитие поймы рек, где не только нерестятся, но и нагуливаются многие виды. Напротив, зимние попуски, когда рыбы не находятся в состоянии миграционной активности, провоцируют движение производителей против течения, их подъем с мест зимовки, последующее утомление, скат, нарушение гаметогенеза и резорбцию икры.
Так, например, в Волге сток в весеннее половодье уменьшился с 135,4 км3 (1930-1955 гг.) до 98,3 км3 (1960-1986 гг.), а продолжительность паводка - с 83 до 53 дней. В то же время произошло двукратное увеличение зимнего стока-с 30,3 до 64,3 км . В результате около 30 % производителей русского осетра, зимующего под плотиной, теряет способность к воспроизводству.
Для воспроизводства важна не общая величина годового объема стока, а величина стока, необходимого для привлечения из моря готовых к размножению производителей, их пропуска по реке, залития нерестилищ, обеспечения нереста, развития икры, нагула молоди и ее покатной миграции в море. Поэтому величина весенних рыбохозяйственных попусков имеет принципиальное значение для воспроизводства рыб. Ретроспективный анализ материалов за ряд лет показал, что объемы вылова осетровых при увеличении весеннего половодья с 60-70 до 121-130км возрастают в 3.9 , а у полупроходных - в 2 раза. Оптимальной считается величина рыбохозяйственного попуска в 120 км, а минимально допустимые требования рыбного хозяйства к водному режиму выполняются при объеме весеннего стока 90 км3.
Для многих речных систем, где население активно осваивает пойму рек, отрицательное воздействие имеет обвалование русла рек или его спрямление. Эти действия также ведут к сокращению площадей нерестилищ и мест нагула рыб.
Воздействие перепада давления на рыб в проточных каналах ГЭС
При прохождении рыб через турбину меняется как гидростатическое давление, так и давление, вызванное изменением скорости течения в турбинном тракте ГЭС. Изменение гидростатического давления связано со сменой горизонта обитания рыб. Изменение давления в турбинном тракте обусловлено тем, что в потоке воды его величина и скорость течения связанны между собой - увеличение скорости течения всегда приводит к уменьшению давления и наоборот. Поэтому действующее на рыб давление зависит как от того, на каком горизонте водной толщи находилась рыба (глубина или давление адаптации) до попадания в турбину и после выхода из неё, так и от гидравлических условий в самой турбине.
Если рыба с поверхностных горизонтов воды попадает в заглубленное водоприёмное отверстие, то действующее на неё давление будет возрастать. В случае, когда рыба адаптирована к более высокому давлению и вовлекается в водозабор с больших глубин (относительно расположения водоприёмного окна), то она, наоборот, будет ощущать снижение гидростатического давления.
В спиральной камере, в направляющем аппарате и в районе лопастей турбины скорость течения возрастает и давление снижается. На этом участке турбинного тракта рыбы испытывают значительное снижение давления, которое за рабочим колесом может уменьшаться до величин ниже атмосферного (вакуума) и здесь гидробионты будут подвержены наибольшей степени понижения давления (декомпрессии). В отсасывающей трубе происходит восстановление давления до величины, соответствующей глубине воды в нижнем бьефе плотины. В зависимости от того, где рыба вышла из отсасывающей трубы, она будет испытывать различное давление от атмосферного на поверхности потока до величины, определяемой глубиной воды в нижнем бьефе, при скате у дна.
С увеличением напора перепад давления на участке, равном высоте рабочего колеса турбины, возрастает. Величина этого перепада может являться одной из причин травмирования рыб.
Наличие разрежения давления за рабочим колесом также может являться причиной гибели рыб. Согласно данным исследования Cramer и Oligher на плотине Кушман ГЭС-2 [55] , когда уровень воды в нижнем бьефе упал и величина давления за рабочим колесом турбины сильно понизилась, смертность скатывающихся рыб достигала 100 %.
Гидростатическое давление и давление, связанное с изменением скорости потока, хотя и имеют разную природу, но их физическое воздействие на рыб одинаково и различается только по интенсивности, которая в основном определяется скоростью перемещения рыб на разных участках трассы их ската. Так, при изменении горизонта обитания рыб вблизи водоприёмных окон ГЭС под воздействием нисходящих и восходящих потоков воды интенсивность изменения давления, как правило, мала и не может вызвать травмирования мигрантов. При перемещении рыб по водоводу к турбинной камере скорость изменения давления уже может быть существенна для них, а в спиральной камере и на рабочем колесе турбины она наибольшая.
При скате рыб через турбину величина действующего на них давления непосредственно связана с давлением, к которому рыбы были адаптированы. Поэтому величина будет различной для обитателей поверхностных и придонных горизонтов верхнего бьефа. Так, для рыб, обитающих у поверхности и оказавшихся в нижнем бьефе, гидростатическое давление в месте их вывода из отсасывающей трубы будет мало отличаться от давления, к которому они адаптированы. Но для рыб, которые находились у дна, оно будет значительно снижено на величину, эквивалентную глубине воды на приплотинном плёсе верхнего бьефа гидроузла. Для этих рыб такое воздействие будет равносильно их подъему со дна к поверхности воды. Время прохождения рыб турбинного тракта зависит от его протяжённости и скорости потока. Это вместе с максимальной величиной гидростатического давления и определяет наибольшую интенсивность его изменения. Следует отметить, что положительная плывучесть рыб, которая наблюдается в нижних бьефах некоторых гидроэлектростанций (Капчагайская, Усть-Хантайская и др.) вызвана изменением именно этого давления.
Если действие гидростатического давления воспринимается только теми рыбами, которые адаптированы к горизонтам воды, превышающим глубину нижнего бьефа, то изменениям давления в турбине подвержены все рыбы. Однако и в этом случае действие давления в большей мере будет сказываться на рыбах, адаптированных к большим глубинам, так как для них перепад давления будет максимальным. При этом в турбинном тракте мигранты будут испытывать кратковременное воздействие перепада давления (от положительного перед рабочим колесом турбины до разрежения за ним) в течение долей секунды. Его интенсивность очень велика. Она значительно больше, чем интенсивность изменения гидростатического давления. Поэтому именно здесь, в районе рабочего колеса, отмечаются самые жёсткие условия действия этого фактора.
Степень травмирования рыб во многом зависит как от абсолютной величины и интенсивности изменения давления, так и от способности рыб воспринимать их действие (чем быстрее рыба сможет изменить объём газа в плавательном пузыре, снижая напряжение на его оболочку, тем в меньшей степени она будет подвергаться губительному действию давления).
Физиологическая компенсаторная реакция у рыб на изменение давления различается по способам наполнения плавательного пузыря и удаления газа из него. По особенностям газорегуляции рыбы делятся на открыто- и закрытолузырных. Различие в скорости газорегуляции плавательного пузыря у этих рыб и определяет их возможные травмы, связанные с изменением давления.
Исходя из возможности газорегуляции плавательного пузыря, можно сказать, что закрытопузырным рыбам очень сложно быстро приспособиться к изменению давления. Под воздействием высокого давления их пузырь будет сжиматься, а низкого — расширяться, иногда до размеров, вызывающих разрыв его стенок. Например, по данным эксперимента, если адаптированного к глубине речного окуня длиной тела 100 мм быстро поднять на поверхность, уменьшив при этом давление в 2,5 раза, то стенки плавательного пузыря не выдерживают растяжения и разрываются [56,79,80]. Открытопузырные рыбы имеют несколько большие возможности контролировать объём газа в плавательном пузыре. При снижении давления и расширении плавательного пузыря они легко могут выделить из него излишки газа и адаптировать его к величине нового давления. Однако при очень быстром снижении давления даже эти рыбы могут быть неспособны выделить избыточное количество газа. В этом случае скорость изменения давления значительно превысит возможности системы газорегуляции плавательного пузыря, что может привести к разрыву его стенок.
Помимо травм, вызванных изменением объёма плавательного пузыря при резком снижении давления, возможно возникновение газовой болезни. Она наблюдается при резкой декомпрессии и сопровождается выделением пузырьков газа (прежде всего азота) в крови и тканях. В результате образования этих пузырьков происходит закупорка кровеносных сосудов, что приводит к их разрыву или к нарушению кровоснабжения жизненно важных органов.
Для оценки влияния фактора перепада давления на рыб было проведено множество исследований в лабораторных условиях. В экспериментах рыб подвергали действию давления в различных комбинациях.
Обобщив результаты этих исследований можно сказать, что значительное повышение давления изменяет поведение рыб (наблюдаются конвульсивные движения, нарушается дыхание и ориентационная способность), но не приводит к их гибели. В основном рыбы гибнут и травмируются при резком снижении давления (декомпрессии). Как правило, у них травмируется плавательный пузырь. Его стенки могут разрываться, так при снижении давления происходит значительное увеличение объёма газа. Величина критического давления декомпрессии, при котором происходит этот разрыв, во многом определяется системой газорегуляции и жёсткостью оболочки пузыря. Поэтому смертность рыб в этом случае зависит от их вида и возраста.
Алгоритм расчёта воздействия потока на гидробионты в камере рабочего колеса вертикальной поворотно-лопастной турбины (тип Каплан)
Поворотно-лопастные турбины применяются при напорах от 2 до 70 м. У этого типа турбин рабочее колесо состоит из втулки и лопастей, которые могут поворачиваться вокруг своей оси. Поворот лопастей осуществляется автоматически одновременно с поворотом лопаток направляющего аппарата. Число поворотных лопастей зависит от напора на ГЭС и изменяется от трёх до восьми. Расчёт в штатных режимах (без аэрационной защиты)
Как уже говорилось выше, в основном гибель и травмирование гидробионтов происходит в потоке на выходе из камеры рабочего колеса в отсасывающую трубу. При прохождении камеры рабочего колеса гидробионты в большинстве подвергаются губительному воздействию перепадов давления (зона 0-1-2-3, рис.2.2) и кавитации за сечением 1-1 (рис.3.2) на выходе в отсасывающую трубу. Именно здесь почти на всех турбинах видны следы кавигационных разрушений металла обшивки камеры рабочего колеса. В связи с этим сечение 1-1 принимается опасным и расчётным для определения степени воздействия и оценки гибели гидробионтов.
При расчете [69] рассматривается течение і струйки, проходящей на расстоянии Ь, от основания лопатки направляющего аппарата и по диаметру dt рабочего колеса. Для определения абсолютного давления жидкости в потоке і струйки по сечению 1-1 определяем, используя уравнение Бернулли, из которого следует
По данным расчёта строится график изменения давления в жидкости в сечении 1-1, в котором обозначатся площадь с отрицательным давлением Аоп (опасная зона), где гидробионты будут повреждаться и площадь с положительным давлением, где организмы при некоторых значениях давления могут пройти зону рабочего колеса без повреждений, в этой зоне каверны на живом организме и кавитационные процессы (замыкание каверны) не возникают.
При определении процента повреждаемости гидробионтов через площадь Аоп следует оговаривать "как не менее" т.к. в какой-то части сечения положительного давления не исключается гибель из-за превышающей для организма скорости перепада давления.
При некоторых значениях высоты отсасывания и втулочного отношения положительные давления в сечении 1-1 не возникнут, что будет соответствовать 100 % повреждаемости организмов.
Оценка неповреждаемости через интенсивность перепадов давлений (степень декомпрессии) между сечениями 1-1 и 2-2 выполняются по известному критерию (2.9) Запишем соотношение между относительными величинами /// и ЛІ определяющие положение струйки і в камере рабочего колеса, учитывая, что струйка, проходящая у нижнего торца лопатки направляющего аппарата, выходит на периферию лопасти, а проходящая у верхнего торца лопатки выходит на корневое втулочное сечение лопасти.
В соответствии с (2.9) и формулами (3.13) и (3.21), определяется Др — интенсивность перепада давлений (степень декомпрессии) в камере рабочего колеса по сечению 1-1, т.е. представляется возможным построить поле интенсивности давлений и определить процент повреяадаемости ихтиофауны по поэтому критерию.
