Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ влияния конструкций и гидравлических , условий зон поисков на эффективность эксплуа тации рыбопропускных сооружений 9
1.1. Анализ условий в зоне поисков к рыбопропускному шлюзу Кочетовского гидроузла 10
1.2. Оценка гидравлики зоны поисков к рыбопропускным шлюзам Константиновского гидроузла 14
1.3. Гидравлические условия в зоне поисков к рыбопропускным шлюзам Николаевского гидроузла 18
1.4. Анализ условий в зоне поисков к рыбопропускному шлюзу Федоровского гидроузла 22
1.5. Особенности гидравлических условий зоны поисков Краснодарского гидроузла 26
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 30
2. Натурные исследования в зоне поисков к рыбоподъемнику краснодарского гидроузла 34
2.1. Современное состояние объекта исследований, цель, задачи
и методика натурных исследований 34
2.2. Оценка точности натурных экспериментов 37
2.3. Результаты исследования топографических условий в нижнем бьефе Краснодарского гидроузла 39
2.4. Результаты исследований гидравлических условий в зоне поисков к рыбоподъемнику 46
2.5. Оценка современных условий работы Краснодарского рыбоподъемника 61
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 81
3. Оптимизация режимов привлечения рыб в краснодарский рыбоподъемник 83
3.1. Оценка динамики нерестового хода и суточной неравномерности пропуска рыб 84
3.2. Методика постановки и обработки данных натурных исследований по оптимизации режимов привлечения рыб 89
3.3. Результаты исследований по оптимизации захода рыб в условиях сброса пониженных расходов 96
3.4. Результаты исследований по оптимизации режима работы рыбоподъемника в условиях больших расходов гидроузла 105
3.5. Сравнительный анализ пропуска производителей рыб при различных условиях сброса расходов 113
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 121
4. Лабораторные экспериментальные исследования условий движения привлекающего рыбу потока в зоне поисков 124
4.1. Цель и задачи экспериментальных исследований 124
4.2. Установление функциональной связи между факторами, характеризующими движение привлекающего рыбу потока ... 126
4.3. Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента 127
4.4. Параметры привлекающего потока в условиях непризматического в плане русла 130
4.5. Исследование привлекающего рыбу потока в условиях несимметричного сброса расхода относительно рыбонакопителя 136
4.6. Методика построения поля осредненных скоростей в нижнем бьефе гидроузла для несимметричного сброса расхода 141
4.7. Методика определения эффективных параметров зоны поисков в условиях несимметричного сброса расхода 142
Выводы по главе 147
5. Рекомендации по повышению эффективности пропуска рыб рыбопропускными сооружениями с центральным размещением относительно водосброса и закрепленными рисбермами 148
5.1. Рекомендации по улучшению режимов и условий пропуска рыб рыбоподъемником Краснодарского гидроузла на р. Кубань 149
5.2. Технические решения по улучшению условий работы рыбоподъемника Краснодарского гидроузла 153
5.3. Рекомендации по устройству и оптимизации гидравлических условий в зоне поисков Тиховского гидроузла 157
5.4. Рекомендации по оптимизации компоновочно-конструктивной схемы гидроузла с центральным размещением рыбопропускного сооружения и закрепленной рисбермой 169
Выводы по главе 175
Общие выводы 177
Список литературы
- Оценка гидравлики зоны поисков к рыбопропускным шлюзам Константиновского гидроузла
- Результаты исследования топографических условий в нижнем бьефе Краснодарского гидроузла
- Результаты исследований по оптимизации захода рыб в условиях сброса пониженных расходов
- Установление функциональной связи между факторами, характеризующими движение привлекающего рыбу потока
Введение к работе
Актуальность работы. Интенсивное использование водных ресурсов реки Кубань для различных хозяйственных целей привело к кардинальному изменению условий естественного воспроизводства и в связи с этим к резкому сокращению промысловых запасов ценных проходных и полупроходных рыб. Одним из направлений снижения антропогенного влияния на состояние рыбных запасов является обеспечение пропуска мигрирующих рыб к местам их нереста, что может быть реализовано эффективной работой рыбопропускных сооружений. Между тем, в современных условиях наблюдается снижение эффективности пропуска рыб рыбопропускным сооружением Краснодарского гидроузла. Общая ситуация с пропуском рыб в верховья Кубани и ее притоки в перспективе может усложниться с завершением строительства Тиховского гидроузла, расположенного в нижнем течении реки.
Сложившиеся обстоятельства актуализируют проблему обеспечения необходимых условий для повышения рыбопропускной способности существующих и создаваемых рыбопропускных сооружений. Для ее разрешения требуется поиск новых технических решений по совершенствованию их конструктивно-компоновочных решений и оптимизации технологических приемов, направленных на увеличение эффективности их работы.
Исследования по данной проблеме ведутся по двум основным направлениям. Во-первых, по пути оптимизации режимов эксплуатации действующих рыбопропускных сооружений повышающих эффективность их работы по пропуску рыб и, во-вторых, по обоснованию и разработке новых технических решений для последующей реконструкции собственно сооружений и влияющих на их работу элементов гидроузлов.
Особо проблематично решение данной задачи для рыбопропускных сооружений, имеющих симметричное (центральное) размещение относительно водосброса и закрепленную рисберму, функционирующих в условиях наблюдаемого или прогнозируемого понижения уровней в нижнем бьефе. По-
нижения отметок водной поверхности, вызываемые общими деформациями русла реки, приводят к росту средних скоростей течений в зоне поисков, что требует внесения соответствующих изменений в режимы привлечения рыб в рыбопропускные сооружения. Действующим сооружением с указанным конструктивно-компоновочным решением является Краснодарский рыбоподъемник, а строящимися - рыбопропускные шлюзы Тиховского гидроузла. В связи с этим Краснодарский гидроузел выбран в качестве объекта натурных исследований, а Тиховский гидроузел - в качестве объекта лабораторных исследований и прогнозирования.
Настоящая работа выполнена в соответствии с Республиканской (федеральной) целевой научно-технической программой (проблема 3.11/37.0 «Разработать новые высокоэффективные технологии и конструктивные решения по сохранению рыбных запасов в источниках орошения»), Федеральной программой развития рыбного хозяйства РФ "Рыба", отраслевыми планами НИР комитета по рыбоводству МСХ РФ, планами НИР ФГОУ ВПО КубГАУ.
Цель диссертации: оптимизация конструкций и режимов эксплуатации рыбопропускных сооружений с центральным их размещением относительно водосброса и закрепленными в пределах зоны поисков рисбермами.
Задачи работы:
оценка влияния гидравлических и топографических условий в зонах поисков на эффективность работы рыбопропускных сооружений;
изучение топографических, гидрологических, гидравлических и инженерно-биологических условий привлечения рыб в рыбоподъемник Краснодарского гидроузла;
оптимизация режимов работы рыбоподъемника по повышению эффективности пропуска им рыб в реально сложившихся условиях эксплуатации;
разработка методики расчета поля скоростей в зоне поисков при неравномерном сбросе расходов в компоновочно-конструктивных решениях водосбросов с центральным расположением рыбопропускных сооружений;
- разработка рекомендаций по эксплуатации рыбопропускных
сооружений и оптимизации конструктивных решений нижних бьефов
гидроузлов в пределах зон поисков.
Методы исследований. В основу выполнения диссертационной работы положены экспериментальные методы, а также методы теории турбулентных струй и плановой гидравлики, математическая теория планирования эксперимента. Натурные исследования выполнялись с использованием известных в гидрометрии методик. Лабораторные эксперименты выполнялись в гидравлическом лотке на универсальной модели гидроузла с использованием методики физического моделирования гидравлических явлений. Биологические исследования по оценке эффективности пропуска рыб выполнялись по методикам Главрыбвода с участием биологов Кубанрыбвода.
Достоверность научных результатов. Основные выводы и рекомендации обоснованы с позиций теорий вероятности и математической статистики. Опытные данные получены в результате использования общеизвестных методик лабораторных и натурных экспериментов, метрологически аттестованных приборов и стандартного оборудования промышленного изготовления. Достоверность научных выводов подтверждается их сопоставлением с известными данными и апробацией в производственных условиях.
Научную новизну работы составляют:
результаты натурных и лабораторных исследований гидравлических условий в зонах поисков к рыбопропускным сооружениям, расположенным в центральной части водосбросов гидроузлов с закрепленными в пределах зон поисков рисбермами;
методика оптимизации и оптимизирование параметров режимов работы водосбросов и блоков питания рыбопропускных сооружений, обеспечивающих эффективную их работу;
зависимости и методика расчета параметров привлекающего шлейфа скоростей при несимметричном сбросе расходов для исследованной компо-
новочно-конструктивной схемы;
- предложения по конструированию рисберм и использованию рыбона-правляющих устройств в рассматриваемом компоновочно-конструктивном решении зон поисков.
Практическая значимость работы заключается: в рекомендациях по эксплуатации рыбопропускных сооружений Краснодарского и Тиховского гидроузлов, обеспечивающих повышение эффективности пропуска ценных промысловых видов рыб к местам нереста и в предложениях по устройству на рисбермах этих гидроузлов рыбонаправляющих элементов.
Внедрение результатов по оптимизации работы сооружения осуществлено на рыбоподъемнике Краснодарского гидроузла в период 2001-2003 г.г., что позволило повысить эффективность пропуска рыб в среднем в 1,3-1,4 раза с ожидаемым экономическим эффектом около 1,9 млн. руб. в год. Методика расчета поля скоростей в зоне поисков и рекомендации по применению рыбонаправляющих устройств внедрены в практику проектирования акционерного проектно-изыскательского института «Кубаньводпроект» в проекте рыбопропускных шлюзов Тиховского гидроузла.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на научных конференциях сотрудников ФГОУ ВПО КубГАУ (Краснодар, 2000, 2001 и 2002 г.), ФГОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» (Новочеркасск 2003, 2004 г.), IV Региональной научно-практической конференции молодых ученых ФГОУ ВПО КубГАУ «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (Краснодар, 2002 г.), кафедре «Гидротехнические сооружения» ФГОУ ВПО НГМА (Новочеркасск, 2001-2005 гг.).
Личный вклад автора. Постановка проблемы, формулирование задач и поиск их решений экспериментальным путем, а также приведенные в работе научные и практические результаты, их анализ и окончательные выводы выполнены автором диссертации лично.- Оценка эффективности режимов про-
пуска рыб рыбоподъемником Краснодарского гидроузла выполнялась автором совместно с сотрудниками Кубанрыбвода.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 8 печатных работ, в том числе патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений. Общий объем диссертации составляет 196 страниц машинописного текста, включая 90 рисунков, 27 таблиц, список использованных источников из 110 наименований и 11 страниц приложений.
1. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКИХ
УСЛОВИЙ ЗОН ПОИСКОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ
РЫБОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Наряду с особенностями конструкций зон поисков (Строительные нормы ..., 1983) важнейшим условием эффективной работы рыбопропускных сооружений является создание оптимальных для ориентации рыб гидравлических условий на подходных участках к рыбопропускным сооружениям.
Научные основы поведения рыб в потоке воды и закономерности ориентации их в зонах поисков к рыбопропускным сооружениям представлены в работах ученых-биологов Н.Е. Аслановой, 1952; И.А. Баранниковой, 1975; Л.К. Малинина, 1973; Л.К. Малинина, А.Г. Поддубного и А.Ш. Свирского, 1979; Л.К. Малинина и М.И. Базарова, 1981; Б.П. Мантейфеля, 1967 и 1981; Ю.С. Марта, 1967; Ю.В. Мартинсена, 1940; Л.М. Нусенбаума, 1961, 1963 и 1967; Д.С. Павлова, 1970 и 1979; Д.С. Павлова, A.M. Пахорукова, Ю.Н. Сби-кина, 1969; А.Г. Поддубного, 1979; В.Р. Протасова, 1978; Д.В. Радакова, 1964; J. Blaxter, В. Parrish, P.S. Meadows, 1960; I.R.D. Francis, A.B. Pattanaik, S.H. Wearne, 1968 и других.
Технические решения по устройству нижних бьефов, инженерное и гидравлическое обоснование параметров зон поисков к рыбопропускным сооружениям изложены в работах инженеров-гидротехников и гидравликов А.Ш. Барекяна, 1980; А.Ш. Барекяна, Б.С. Малеванчика и М.А. Скоробогатова, 1988; О.А. Бирзнека и З.М. Киппера, 1960; И.А. Каменева, 1980; Б.С. Малеванчика и Г.Н. Ряховской,1973; Б.С. Малеванчика 1978; П.А. Михеева, 1981; Г.Н. Ряховской, 1975; М.А. Скоробогатова, 1997; Г.М. Сукало, 1982; М.М. Тихого и П.В. Викторова, 1940; Г.К. Харчева, 1940; Н.А. Шелестовой, 1987; В.Н. Шкура, 1974, 1990 и 1999; М.А. Чеботарева, 1999; А.А. Чистякова, 1990; I.D. Denovan, 1962; I.F. Miur, Е. Ruuxs, 1962; P. Trefethen, 1968; G. lens, 1971 и других.
В процессе исследований установлено, что, в основном, низкая эффективность работы рыбопропускных сооружений связана с нерациональным размещением их в составе гидроузла или неудовлетворительным конструктивным решением подходных участков к ним и соответственно сложными гидравлическими условиями в зоне поисков.
В настоящей главе рассмотрена работа рыбопропускных сооружений в различных гидравлических условиях в зоне поисков на примерах действующих сооружений Кочетовского, Константи нове кого и Николаевского гидроузлов на реке Дон, Федоровского и Краснодарского гидроузлов на р. Кубань.
Оценка гидравлики зоны поисков к рыбопропускным шлюзам Константиновского гидроузла
Константиновский гидроузел построен с целью улучшения условий судоходства на участке р. Дон от Николаевского гидроузла до г. Константиновска в 1978 году.
Компоновка гидроузла раздельная, судоходные шлюзы отделены от основных сооружений. В состав сооружений гидроузла входят: паводковая водосливная плотина, водосброс-регулятор, глухая земляная плотина, два судоходных шлюза (грузовой и скоростной), два рыбопропускных шлюза и не-рестово-рыбоходный канал (рис. 1.3).
Рыбопропускные шлюзы, водосливная плотина и водосброс-регулятор расположены на песчаной пойме ближе к правому берегу р. Дон. Каждый шлюз состоит из рыбонакопителя длиной 100 м, рабочей камеры длиной 29 м и верхового лотка длиной 16 м. Длина шлюза 149 м, а полезная ширина -8 м.
Отметка дна лотка и камеры (2,2 м) принята исходя из условия создания достаточной глубины воды в шлюзе (3,0 м) при минимальном уровне нижнего бьефа (5,2 м). Верхняя голова шлюза включает в себя: входной лоток, ихтиологическую площадку, сороудерживающую решетку, часть шлюзовой камеры, основные одностворчатые ворота с клинкетом, пазы для аварийно-ремонтного затвора. Для сопряжения дна рыбопропускных шлюзов с руслом реки были устроены сопрягающие пандусы (М.А. Чеботарев, 1999).
В соответствии с проектом, отметка дна русла в пределах зон поисков перед рыбопропускными шлюзами постоянна и соответствует -2,20 м, а через 75 м происходит повышение отметки дна до 3,50 м. Отметка дна рыбонако-пителя соответствует 2,20 м. Таким образом, перепад отметок между дном рыбонакопительного лотка и руслом составляет 4,4 м.
В процессе эксплуатации гидроузла топография русла реки в нижнем бьефе гидроузла в пределах зоны поисков значительно изменилась. Рыбопропускные шлюзы расположены у водосбросных пролетов, которые стесняют естественное русло реки в створе гидроузла, что привело к увеличению удельных расходов и удельной энергии потока в нижнем бьефе в зоне поисков. В связи с этим произошло понижение дна, то есть в зоне поисков образовались воронки размыва. Анализ материалов натурных исследований зоны поисков (В.Н. Шкура, 1984 и 1990; А.А. Чистяков, 1990; М.А. Чеботарев, 1999) показывает, что глубина размыва нижнего бьефа зависит от соотношения между скоростью на рисберме и неразмывающей скоростью, а размывы русла за сооружением в некоторых местах превышают такую глубину.
Причиной этого являются интенсивная пульсация скоростей и давлений, которая свойственна потоку, исходящему с водобоя. В пределах начального откоса (вымоины под струей) образовалась водоворотная зона, размеры которой зависят от величины размывающих скоростей и взвешивающей способности потока.
На границе между движущимся потоком и водоворотом возникают значительные касательные усилия, вследствие этого донные скорости быстро уменьшаются и расширение потока происходит на сравнительно коротком участке, а пульсация скоростей по той же причине почти не ослабевает, и размыв продолжает развиваться как в длину, так и в глубину (рис. 1.4).
Деформации русла привели к изменению средних скоростей транзитного потока. Так средние скорости в створе входа в рыбопропускные шлюзы для наиболее реальных расходов гидроузла уменьшились до 0,6-0,9 м/с. Характерные эпюры средних скоростей в зоне поисков формировались растекающимся в пространстве нижнего бьефа потоком, исходящим из отверстий водосбросной плотины. Скоростной режим протекания потока в нижнем бьефе обеспечивает условия для подхода мигрирующих рыб в пределах всего водосливного фронта. Ярко выраженный шлейф привлекающих рыбу скоростей отсутствует, возможность продвижения рыб по всей ширине русла и массового их скопления у пролетов бетонной плотины привела к снижению эффективности работы рыбопропускных сооружений.
Результаты исследования топографических условий в нижнем бьефе Краснодарского гидроузла
В процессе натурных исследований проводились геодезические (длина и направление линий) и гидрометрические измерения (глубины и скорости потока). При обработке результатов равноточных измерений линейных величин средняя квадратическая погрешность отдельного измерения тш определялась по зависимости: тш=\\- — (2-1) V п- 1 где v - поправка равноточных измерений, м vt-L - /,; L - среднее значение из результатов равноточных измерений, м L=(Ii + h h+-+ln)/n; li - величина линейного измерения, м; п - число измерений. При обработке результатов измерений направлений средняя квадратическая погрешность, измеренного одним приемом направления /ию, определяется по формуле 125Y\V\ Миз= і = (2-2) 4Р(Р-1)п где V- уклонения направлений из отдельных приемов от среднего значения, град.; Рип- число соответственно приемов и направлений.
Определение расхода в поперечном сечении отводящего канала осуществлялось, по результатам измерения глубин и скоростей) наиболее распространенным в речной гидрометрии методом "скорость-площадь", при этом погрешность определения расхода не превышала 5-6%, что соответствует существующим требованиям (А.А. Лучшева, 1983).
Данные о достоверности основных результатов геодезических и гидрологических измерений выполненных в ходе натурных исследований приведены в табл. 2.1.
В первой главе настоящей работы, а также в работах А.Ш. Барекяна и М.А. Скоробогатова, 1979; B.C. Лапшенкова, 1975; B.C. Лапшенкова и И.А. Ефремова, 1974; М.А. Чеботарева и Н.А. Шелестовой, 2001 и др. показано, что русловые деформации в нижнем бьефе Краснодарского гидроузла весьма интенсивны и за 30 лет его эксплуатации не стабилизировались.
Особенно интенсивно процессы русловой эрозии проявлялись в первые годы эксплуатации сооружения, что послужило основанием для отсыпки в 1983 году поперечной затопляемой дамбы в створе сопряжения отводящего канала с руслом р. Кубань. Однако деформации канала в пределах зоны поисков привели к тому, что в пределах незакрепленной его части за рисбермой (в 110 м от створа входа в рыбоподъемник) сформировались «ямы» размыва с глубинами более полутора метров от проектной отметки дна, что усложнило условия ориентации рыб. Наряду с этим общий размыв сказался на подтоплении гидравлического прыжка и гашении энергии потока в водобойном колодце.
Изменение условий затопления гидравлического прыжка послужило основанием для выполнения работ по повышению отметок дна отводящего канала на участке от рисбермы до затопляемой дамбы в конце канала. В этой связи в 1985 году была выполнена подводная наброска камня в объеме 12,5 тыс. м3 и сравнительное выравнивание дна канала. Однако кардинально это вопрос можно решить созданием либо регулирующего сооружения в конце канала, либо устройством дополнительных гасителей в конце существующего водобоя. Характер русловых деформаций в пределах подходного участка нижнего бьефа отводящего канала можно оценить по материалам топографических съемок, выполненных с 1984 по 2001 гг. в 1984 г до устройства отсыпки, в 1987 г. и 2001 г. Анализ материалов свидетельствует о весьма динамичных эрозионных процессах, происходящих в русле канала. Так если в 1984 г. можно выделить отдельные «ямы» в створе четвертого пикета, то после отсыпки каменного банкета, на плане 1987 г., дно канала между вторым и четвертым пикетами вдоль левого берега представляет собой район повышенных отметок. Вместе с тем в пределах двухсотметровой зоны канала примыкаемой непосредственно к бетонному креплению участка рисбермы за указанный промежуток времени наблюдается существенное понижение дна.
На плане 2001 г. видны результаты происходящих русловых процессов, которые характеризуются перемещением каменной наброски вниз по течению и продолжающимися местными деформациями русла.
Для оценки основных процессов, происходящих в отводящем канале и установления общих закономерностей формирования топографии русла в зоне поисков, выполнен анализ изменений осредненной отметки дна отводящего канала за период с 1984 по 2001 гг. В качестве рабочих приняты створы канала, расположенные на расстояние 95, 200; 280 и 350 м от створа входа в рыбонакопитель. Характер изменений русла в створах одинаков.
Рис. 2.5 Изменение осредненной отметки дна отводящего канала по годам в створе, расположенном на расстоянии 95,0 м от входа в рыбонакопитель
Данные по изменению отметок дна канала в створе, расположенном на расстоянии 95,0 м от входа в рыбонакопитель приведены на рис. 2.5.
Анализ многолетних данных позволяет сделать заключение о том, что отметка дна отводящего канала по состоянию на 2001 год ниже положения до отсыпки камня (1984 г.) и имеет тенденцию к понижению, что отрицательно влияет как на условия затопления гидравлического прыжка, так и на возможности ориентации рыб для продвижения к рыбоподъемнику.
Продолжающийся процесс размыва был спрогнозирован до 2004 года. Его результаты были доведены до службы эксплуатации Краснодарского водохранилища, что позволило своевременно (в 2003 г.) составить проект восстановления крепления и восстановить его в пределах пригрузки ковша рисбермы в 2004 г. В результате проведенных мероприятий крепление было восстановлено до проектного положения.
11а рис. 2.6 в качестве примера представлен продольный профиль канала в створе отводящего канала, расположенном на расстоянии 400 м от входа в рыбонакопитель, полученный также по результатам топографических съемок 1984 и 2001 гг.
Результаты исследований по оптимизации захода рыб в условиях сброса пониженных расходов
Согласно (В.А. Вознесенский, 1981; В.А. Вознесенский, А.Ф. Ковальчук, 1978) полученную дисперсию эксперимента можно распространить на все опыты плана эксперимента, что не влечёт за собой потери общности и не снижает надёжности полученных экспериментальным путём математических моделей.
Собственно технология проведения эксперимента заключалась в: - установке в соответствии с матрицей планирования режима привлечения в определенное время и с заданной, планом эксперимента, скоростью привлечения; - фиксация времени привлечения и начала операции по переводу накоп ленных в сооружении рыб в транспортный контейнер; - визуальный учет количества накопленных в сооружении рыб по видам. Соответствующие каждому эксперименту положения затворов на водо сбросе и данные по учету рыб фиксировались в специальных журналах. Полученные данные обрабатывались в соответствии с методикой обработки плана эксперимента.
Результаты исследований по оптимизации захода рыб в условиях сброса пониженных расходов
Пониженными режимами сброса для гидроузла приняты расходы менее 300 м /с, основная серия опытов была проведена в течение трёх суток с последующим троекратным дублированием, для определения статистической достоверности полученных результатов. Результаты исследований по трём видам рыб представлены в табл. 3.7.
В результате обработки экспериментальных данных были получены адек ватные регрессионные модели: для судака Y=0,2494+0,0686 Xl X2+0,0515 Xl2-0,1114 X22 (3.14) для леща Y=0,1678-0,0369 X2+0,0504 X, X2+0,1571 X22 (3.15) для чехони Y=0,3894+0,127 XI X2-0,0322 X,2-0,1518 X22 (3.16) " Для определения оптимальных значений изучаемых факторов, необходимо найти их координаты, которые соответствуют Ymax.
Поиск экстремальных координат X/ и Х2 для судака осуществлён с использованием диссоциативно-шагового метода в нижеследующей последовательности операций: 1. Запишем исходное уравнение (3.14) Y=0,2494+0,0686 Xi X2+0,0515 X,2-0,1114 X22 2. Так как 6// 0, то есть 0,0515 0, то проверяем условие (см. табл. 3.6) 1Ф1Ы (3-17) при 0(2J0,0686, так условие 3.17 не выполнено, Xi=±l. 3. Принимаем Xj=+l и подставляя в уравнение (3.14) получим: Y=0,2494+0,0686 1 X2+0,0515 12-0,1114 X22 (3.18) 4. После приведения подобных имеем: Y=0,3009+0,0686 X2-0,1U4 X22 (3.19) 5. Используя [В.А.Вознесенский, 1981], определяем: 1 X? =-0,5 _01П4 (0,0686)=0,3079. 6. Зная значения Х =1 и Хм =0,3079, подставляя их в исходное уравне ние (3.14) получим величину одного из локальных максимумов Y=0,2494+0,0686 1 0 3079+0,0515 (1)2-0)1114 (0,3079)2 =0,3115 7. Для определения второго локального максимума, подставляем Хі=-1 в систему 3.14 и получаем Y=0,2494-0,0686 X2+0,0515 (-1)2-0,1114 Х22 =0,3009-0,0686 ХГ, 1114 Х22. 8. Так как Ьц 0, то есть -0,1114 0 и Ь; 0, то определяем Х" (В.А. Возне сенскиї їй, 1981)ХГ=-0,5 357п4(" 0686)= 0 3079 9. Подставляя X =-1 и X =-0,3079 в исходное уравнение (3.14), вычисляем второй локальный максимум. Y=0,2494+0,0686 (-l) (-0,3079)+0,0515 (-l)2-0,1114 (-0,3079)2 =0,3115.
В результате анализа исходного уравнения (3.14) было определено, что в области изменения -1 Xj +1 и -/ Хг +1 функция оптимизации У имеет два локальных максимума: У, \х \,хг= оп=0 2115 и YT .-ы,- тц=0 3115 На рис. 3.7 приведено двумерное сечение поверхности отклика, отражающее динамику изменения захода судака по уравнению (3.14).
В соответствии с полученными данными наилучшим периодом для привлечения судака можно считать: при скорости привлечения /, =0,6 м/с - время 13:30-15:00, а при скорости привлечения /, =1,8 м/с с 14:30-16:30.
Необходимо отметить, что в период с 13:00 до 16:30 привлечение судака можно осуществлять во всём исследованном диапазоне привлекающих скоростей от 0,6 м/с до 1,8 м/с. В утренние часы с 9:00 до 11:30 с увеличением скорости привлекающего потока от 0,6 м/с до 1,8 м/с, заход судака снижается на 30-45%. В вечернее время от 17:00 до 19:00 с увеличением скорости привлекающего потока от 0,6 м/с до 1,8 м/с, заход повышается на 30-40%.
Выявленные оптимизационные значения привлекающей скорости формируют перед входом в сооружение определенные участки с выделенными шлейфами скоростей. При Unp=0,6 м/с перед входом в рыбоподъемник образуется зона пониженных скоростей. При этом режиме наблюдается повышенное накопление в рыбоподъемнике судака скапливающегося в зоне поисков в течение темного и предутреннего периода времени.
При /, =1,5-1,8 м/с перед входом в рыбоподъемник образуется зона повышенных скоростей, шлейф хорошо выделен и имеет большую площадь. Судя по накапливаемым в сооружении особям судака, это вновь подходящие к гидроузлу рыбы. Для этого режима характерно сепарирующее его воздействие на рыб, так как в рыбоподъемнике накапливается преимущественно крупные особи судака с большей плавательной способностью.
Необходимо отметить и определенную эффективность проектной привлекающей скорости (/ =0,75-0,85 м/с и даже 0,95 м/с) в период с 12 до 15 часов. При этом режиме в сооружение заходят разноразмерные особи судака.
Использование предлагаемых диапазонов оптимизации по скорости и времени проведения операции по привлечению и накоплению рыб позволяет уве-личить пропуск судака при расходе гидроузла до 300 м /с по сравнению с проектным режимом в 1,24 раза.
Установление функциональной связи между факторами, характеризующими движение привлекающего рыбу потока
Экспериментальные исследования выполнялись в гидротехнической лаборатории НГМА на установке, представляющей собой горизонтальный лоток прямоугольного поперечного сечения (рис. 4.2). Длина лотка составляла 12 м при ширине 1,5 м. Дно лотка было покрыто цементной коркой по песчаной подготовке. Стенки лотка и дно рабочей части были тщательно оштукатурены и окрашены, на дне лотка разбита створная сетка. Распределение расхода по ширине лотка осуществлялось пятипролетным регулятором, расположенным в голове лотка, центральное отверстие регулятора выполняло функции рыбопропускного сооружения.
Расход, подаваемый на модель, измерялся с помощью трапецеидального водослива. Избыточная энергия потока, проходящего через водослив, гасилась в водобойном колодце, а скорости потока в плане и по глубине выравнивались при помощи решеток.
Непризматичность русла в плане достигалась устройством в отводящем канале боковых стенок из листового металла от бычков крайних пролетов регулятора к стенкам лотка.
Модель рыбопропускного сооружения во всех экспериментах была выполнена из листового текстолита. Вход в рыбопропускное сооружение был вынесен вниз на расстояние 1 м от линии раздельных стенок регулятора. Для выравнивания скоростей по сечению при выходе потока в начале лотка была установлена решетка. Рабочая часть лотка от (створа-регулятора до сбросных щитов) имела длину 1,0 м, горизонт воды в нижнем бьефе регулировался жа-люзийным затвором, установленным в конце лотка, уровни воды на модели измерялись шпиценмасштабами в двух точках: в верхнем бьефе на расстоянии 0,8 м от оси регулятора, в нижнем бьефе - 1,4 м от конца лотка.
сооружение, через 0,1-0,2 м. На каждом поперечнике скорость замерялась по вертикалям, расположенным через 0,05-0,1 м по ширине лотка. Всего в одном поперечном створе было назначено 12-18 вертикалей. На каждой из вертикалей замеры производились в одной или трех точках. Скорости измерялись микровертушкой Х-6, в качестве регистрирующего прибора использовался частотомер 43-32. Относительная погрешность проводимых измерений расходов, глубин и скоростей оценивалась по известным методикам (Л.В. Яковлева, 1990) и не превышала 2-3% по каждому измеряемому параметру.
Значения чисел Рейнольдса при экспериментах находились в пределах Re - 1500-600000, что согласно (Д.В. Штеренлихт, 1991) выше предельных равных Renp =800-900. Следовательно, результаты экспериментальных исследований могут быть распространены на геометрически подобные русла. Принимая величину абсолютной шероховатости бетона равной 0,75 мм, по кривой для открытых русел (Справочник по гидравлическим..., 1974), находим значение коэффициента сопротивления Ят= 0,007-0,0085, что соответствует значению коэффициенте Шези С = 45-52, который является характерным для большинства равнинных рек.
По результатам измерений строились эпюры осредненных скоростей в каждом из створов. На полученных эпюрах наносились границы привлекающего рыбу потока. Поле осредненных скоростей использовалось впоследствии для решения поставленных задач.
Установление закономерностей распределения продольной составляющей избыточной скорости проводилось путем построения опытного профиля, (рис. 4.3) соответствующего зависимости Шлихтинга-Абрамовича и от и 1т где (У- текущая скорость в шлейфе в точке с координатой ; U\ и U0т скорость соответственно спутного и на оси привлекающего потока; rj = у / Ь— относительная координата; Ъ - полуширина привлекающего шлейфа.
Здесь точки взяты в пределах привлекающего шлейфа различных створов эпюр скоростей, исследованных гидравлических режимов работы рыбопропускного сооружения и водосброса. Границы привлекающего рыбу потока определялись по рекомендациям Г.И. Абрамовича, 1984 и методике М.А. Чеботарева и П.А. Михеева,1983.
При исследовании привлекающего рыбу потока в условиях непризматического в плане русла, как указывалось ранее, непризматичности русла отводящего канала достигались установкой к крайним быкам регулятора расхода вертикальных стенок. Исследовался вариант руслового размещения рыбопропускного сооружения при симметричном сбросе расхода относительно рыбонакопителя. Схема течений в зоне поисков на непризматических в плане рисбермах представлена на рис. 4.4.
При изучении закономерности изменения скорости спутного потока на основе результатов сравнения дисперсии был сделан вывод о независимости ее падений от коэффициента спутности тс. В пределах х/ Ь$ 30 изменение скорости достаточно достоверно может быть определено по зависимости Uxm/Ux= Рт/Ръ. (4.21) Сопоставление значений изменения скорости спутного потока с опытны ми данными приведены на рис. 4. Полученные для расширяющихся в плане русел зависимости по определению границ привлекающего потока (Ь/60), осевой скорости (UQ /UQ) и скорости спутного потока (U\ /U\) позволяют построить поле осреднён ных скоростей для данной конфигурации русла отводящего канала. Закономерность распределения скорости внутри привлекающего потока определяется по известной зависимости Г. Шлихтинга (1969) или в соответствии с рис. 4.3. Для условий Тиховского гидроузла несимметричный, т.е. неравномерный сброс расходов по правому и левому водосбросным пролетам, является одним из возможных как технически, так и экономически. Исследования привлекающего рыбу потока в условиях несимметричного сброса расхода проводились при русловом варианте размещения рыбопропускного сооружения. К изучению были приняты две схемы сброса расхода, приведенные на рис. 4.10.
В первом случае (рис. 4.10, а) скорости спутного потока распределяются так, что одна из них больше скорости потока в рыбоходе, а вторая меньше, т.е. имел место случай /wq 1; тс2 1. Во втором случае (рис. 4.10, б) спут ные скорости по обе стороны от сооружения меньше скорости в нем, т.е. имел место случай тс. 1 и тс2 1.
В опытах скорость течения воды замерялась на 0,6 глубины потока. Целью исследований являлось установление закономерностей изменения характеристик привлекающего рыбу потока.
