Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих средств защиты молоди рыб при водозаборах 20
1.1 Причины попадания молоди рыб в водозаборы 20
1. 2 Принципы и способы защиты рыб 20
1.3 Классификация рыбозащитных устройств 20
1.4 Сравнительная оценка классификаций рыбозащитных устройств 22
1.5 Концепция защиты рыб 24
1.5.1 Системы отвода рыб 28
1.5.2 Принудительные устройства для отвода рыботРЗУ 29
1.6 Обзор световых, звуковых и электрических рыбозащитных сооружений 31
1.6.1 Световые РЗУ 31
1.6.2 Звуковые РЗУ 31
1.6.3 Электрические РЗУ 32
1.7 Обзор эколого - гидравлических рыбозащитных сооружений 33
1.7.1 Жалюзийный РЗУ 33
1.7.2 Воздушно - пузырьковая завеса ( ВПЗ ) 36
1.7.3 Зонтичные РЗУ 38
1.7.4 Наплавные РЗУ 40
1.7.5 РЗУ - искусственная излучина 41
1.7.6 РЗУ - лотки - концентраторы 43
1.7.7 РЗУ - водозабор, оборудованный гидроускорителями 48
1.8 Обзор РЗУ - «тонкое сито» 48
1.8.1 Фильтрационные РЗУ 49
1.8.1.1 РЗУ - насыпные фильтры затопленных водоприёмников 49
1.8.1.2 РЗУ - кассетные фильтры 50
1.8.1.3 РЗУ - Фильтрующие дамбы 51
1.8.2 СетчатыеРЗУ 51
1.8.2.1 Базовые конструктивные решения и формы сетчатых преград 51
1.8.2.2 Вертикально движущаяся сетчатая преграда.. 57
1.8.2.3 Вертикальная косо установленная плоская сетка с рыбоотводом 58
1.8.2.4 Вертикальная ( криволинейная в плане ) сетчатая преграда с рыбоотводом 64
1.8.2.5 Сетчатая преграда, установленная с наклоном в горизонтальной плоскости 66
1.8.2.6 Струереактивные РЗУ 70
1.8.2.7 Конусные рыбозащитные заграждения ( КРЗ ) с рыбоотводом 71
1.8.2.8 Конический многосекционный рыбозаградитель (КМР) 76
Выводы по первому разделу 83
2 Способы решения проблемы создания надёжных и эффективных средств рыбозащиты при мелиоративных водозаборах 89
2.1 Теоретическое обоснование 89
2.2 Экспериментальное обоснование 89
2.2.1 Экспериментальная установка первого этапа исследований 90
2.2.2 Экспериментальные установки второго этапа исследований 93
2.3 Разработка и внедрение оптимальной конструкции РЗУ в производство 96
Выводы по второму разделу 97
3 Гидравлико-биологическое обоснование РЗУ с горизонтальной преградой, установленной под углом к подходному потоку, и рыбоотводом 98
3.1 Математическая модель движения жидкости у сетчатой преграды с криволинейной образующей 98
3.2 Расширение математической модели 99
3.3 Математическая модель движения рыбы у сетчатой преграды с криволинейной образующей 100
3.4 Относительные скорости движения рыб у сетчатых преград 104
3.5 Методика гидравлического расчёта и конструирования сетчатой преграды с рыбоотводом 106
3.6 Методика гидравлического расчёта и конструирования водоструйного кольцевого насоса (ВКН) для отвода рыбы от РЗУ 114
Выводы по третьему разделу 127
4 Экспериментальное обоснование РЗУ с горизонтальной сетчатой преградой, установленной под углом к подходному потоку, и рыбоотводом 129
4.1 Результаты первого этапа исследований 129
4.1.1 Распределение потерь пьезометрического давления по длине сетчатой преграды с рыбоотвводом 129
4.1.2 Распределение скоростей по длине сетчатой преграды с рыбоотводом 139
4.1.3 Распределение углов входа и выхода струек потока по длине сетчатой преграды с рыбоотводом 142
4.2 Результаты второго этапа экспериментальных исследований 146
4.2.1 Результаты исследований опытного образца РЗУ с уплотнением секторов у стенки камеры ( таблица 2.2, схема 1 ) 146
4.2.2 Результаты экспериментальных исследований конического двуполостного сетчатого заграждения с очистной стенкой ( таблица 2.2, схема 2 ) 154
4.2.3 Результаты экспериментальных исследований двуполостного сетчатого заграждения с сектором очистки ( таблица 2.2, схема 3 и 4 ) 164
Выводы по четвертому разделу 176
5 Внедрение в производство результатов исследований и разработок и экономический эффект 177
5.1 Новые конструктивные и компоновочные решения конического двуполостного сетчатого РЗУ с сектором очистки и рыбоотводом 177
5.2 Новое конструктивное решение рыбозащиты водозаборного оголовка, выдвинутого в водоток 181
5.3 Эколого -гидравлическое РЗУ ГНС Комсомольской ОС в Саратовской области 183
5.4 Эколого -гидравлическое РЗУ ОПХ Григорьевское г. Ярославль 184
5.5 Концепция защиты рыб при водозаборах, общие принципы проектирования РЗУ с учётом гидравлике — биологических критериев 185
5.6 Экономический эффект и перспективы использования результатов исследований и разработок 198
Выводы по пятому разделу 192
Общие выводы по работе 193
Список литературы 197
Приложение
- Сравнительная оценка классификаций рыбозащитных устройств
- Разработка и внедрение оптимальной конструкции РЗУ в производство
- Математическая модель движения рыбы у сетчатой преграды с криволинейной образующей
- Новое конструктивное решение рыбозащиты водозаборного оголовка, выдвинутого в водоток
Введение к работе
Актуальность проблемы. При отборе воды из внутренних водоёмов и водотоков на нужды орошения и водоснабжения вместе с водой поступают личинки, ранняя молодь и взрослая рыба. Рыбным ресурсам страны наносится огромный ущерб. По данным Цымлянскрыбвода из Цимлянского водохранилища ежегодно в ирригационный Донской магистральный канал выносится ( в зависимости от урожайности ) от 14 до 500 млн. молоди 30 видов рыб. По данным Касп-НИРХа в водозаборы Астраханской области выносится и гибнет на орошаемых полях более 14 млрд. молоди.
В этой связи охрана и сохранение рыбных запасов страны является актуальной проблемой и решение её связано с разработкой эффективных рыбозащитных мероприятий и рыбозащитных сооружений с отводом молоди рыб в безопасную зону водоисточника.
С 50-тых годов 20 века в нашей стране и США на мелиоративных водозаборах нашли широкое применение сетчатые рыбозащитные устройства (РЗУ): косо установленные вертикальные сетки с рыбоотводом; вертикальные вращающиеся бесконечные сетки со сбором рыб с сетки; наклонные сетки ( Kupka К.Н.), сетчатые барабаны и др. РЗУ мелиоративных водозаборов имеют существенные недостатки. Эксплуатация вертикальных сетчатых преград с рыбоотводом связана с увеличением скоростей сквозь сетку в зоне рыбоотвода и небезопасным смывом осевших на сетку рыб напорными струями промывного устройства. Эти недостатки затрудняют эксплуатацию, монтаж и демонтаж этих систем , требуют повышенных энергетических затрат и , основное, не позволяют обеспечить высокий и устойчивый эффект очистки сетки от мелкого мусора и достичь высокой эффективности защиты личинок и ранней молоди рыб. «Из 22,4 тыс. учтённых водозаборов 16,9 тыс. оборудованы специальными техническими средствами рыбозащиты. Однако работа большинства из них недостаточно эффективна [Малеванчик Б.С., Никоноров И.В., 1984]. Биологические основы защиты рыб при водозаборах разработаны в научных трудах: Павлова Д.С., Пахорукова А.М, Поддубного А.Г., Нусенбаума Л.М., Breet J.R., Clay С.Н. и др.
Вопросы компоновки гидроузлов, в составе которых имеются рыбопропускные и рыбозащитные сооружения рассмотрены в научных трудах: Альхи-менко А.И., Беллендира Е.Н., Бухарцева В.Н., Волкова И.М., Кавешникова Н.Т., Косиченко Ю.М., Румянцева И.С., Скоробогатова М.А., Слисского СМ., Шкуры В.Н., Штеренлихта Д.В. и др.
На базе теоретических исследований Мещерского И.В. о движении тел переменной массы, Маккавеевым В.М. впервые было выведено общее уравнение движения жидкости переменной массы. Впоследствии теория движения жидкости переменной массы была развита в трудах Ненько Я.Т., Коновалова И.М., Константинова Ю.М., Патрашева А.Н., Руднева С.С, Скиба М.М., Киселева П.Г., Кожевникова А.С., Петрова Г.А., Дульнева И.Б., Смыслова В.В., Навояна Х.А., Егорова А.И., Михеева П.А., Мешенгиссера Ю.М, Яковлева А.Е. и др. Причём, развитию теории движения жидкости переменной массы во многом способствовали труды Павловского Н.Н., Агроскина И.И., Чертоусова М.Д., Леви И.И., Рахманова А.Г., Чугаева P.P. и др. в области теории неравномерного движения жидкости, а также достижения в области изучения гидравлических сопротивлений в трудах Агроскина И.И., Альтшуля А.Д., Конакова П.Н., Шевелёва Ф.А., Угинчуса А.А. и др.
Большой вклад в становление, обоснование, разработку и внедрение рыбо-защиты внесли исследователи : Алтунин B.C.; Барекян А.Ш.; Беглярова Э.С.; Болыдов A.M., Ващинников А.Е.; Волошков В.М.; Дегтярёва Н.Г., Жидовинов В.И.; Иванов А.В.; Киселев - Цецхладзе В.Н.; Колесникова Т.В.; Коротовских А.И.; Лупандин А.И.; Малеванчик Б.С; Нагобат Э.А.; Никоноров И.В.; Нусен баум Л.М.; Михеев П.А.; Мотинов A.M.; Муравенко Г.С.; Образовский А.С; Петрашкевич В.В.; Ревич В.А.; Рипинский И.И.; Ряховская Г.Н., Сабуренков Е.Н.; Синявская В.М.,Страхов В.А.; Суровикин Т.В.; Фильчагов Л.П.; Харчев Г.К.; Химицкий К.Ф.; Цыплаков М.Н., Цыпляев А.С.; Чеботарёв М.А.; Шкура В.Н.; Эрслер А.Л., Юшманов О.Л.; Яковлев А.Е., Bates D.W., Hanson С.Н., Kerr J.E., Kupka K.H., McMillan F.O. и др.
За последние годы выполнен большой объём научно-исследовательских и конструкторских работ в области защиты рыб при мелиоративных водозаборах, однако остаются актуальными задачи разработки теоретических методов обоснования и расчёта движения потока и рыбы у преград с рыбоотводом, и на их основе создание высокотехнологичных, надёжных и эффективных рыбоза-щитных устройств нового поколения. На решение этой задачи и направлена настоящая диссертационная работа, которая является результатом обобщения и анализа научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ, выполненных соискателем в ЗАО ПО «Совинтервод» и СКБ «Запорожгидросталь». Цель и задачи исследования
Цель диссертационной работы. Разработка и гидравлико-биологическое обоснование новых рыбозащитных конструкций высокотехнологичных, надёжных и эффективных рыбозащитных сооружений с рыбоотводом для водозаборов мелиоративных систем и их инженерный расчёт.
Для достижения поставленной цели оказалось необходимым решить следующие основные задачи:
1. Выполнить анализ существующих конструкций рыбозащитных устройств с рыбоотводом.
2. Обобщить существующие методы расчёта движения жидкости и рыбы у плоских и криволинейных сетчатых преград с рыбоотводом. 3. Разработать математическую модель движения жидкости и рыбы у сетчатой преграды с рыбоотводом, установленной в горизонтальной плоскости под углом к направлению подходного потока.
4. Разработать модельную установку и выполнить экспериментальные исследования кинематики движения потока перед и за сеткой ( формы образующей: прямая; ломаная; криволинейная ), распределения пьезометрических давлений и скоростей по длине сетки.
5. Выполнить сравнительный анализ соответствия параметров теоретических и экспериментальных исследований и сделать выбор формы образующей РЗУ -конического двуполостного сетчатого заграждения с перегородками и центральным рыбоотводом ( прототип, а.с. №495409 ).
6. Предложить модификации усовершенствованной конструкции прототипа: с регенерирующим устройством ( патент № 765515 ); с сектором очистки ( а.с. № 889786 ) и с сектором очистки и встроенным в него рыбоотводом ( а.с. № 1177412).
7. Разработать опытные образцы четырёх модификаций РЗУ и выполнить гид-равлико-биологические испытания с целью изучения эффективности очистки сетки транзитным потоком и защиты молоди рыб.
8. По результатам испытаний выбрать оптимальную конструкцию РЗУ, отвечающую требованиям высокой надёжности и эффективности защиты личинок, ранней молоди и взрослой рыбы.
9. Разработать инженерную методику гидравлического расчёта и конструирования новой конструкции РЗУ и водоструйного кольцевого насоса ( ВКН ) для отвода рыбы от РЗУ.
10. Разработать общие принципы проектирования рыбозащитных сооружений с учётом, полученных в процессе исследований, гидравлико-биологических критериев.
11. Внедрить результаты исследований в производство и получить экономический эффект.
12. Результаты исследований и разработок включить в нормативные документы по проектированию рыбозащитных сооружений.
Методы исследований.
В работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследований. При разработке математических моделей и методик расчёта применялись численные и аналитические методы решения дифференциальных уравнений. В гидравлической лаборатории СКБ «Запорожгидросталь» при непосредственном участии соискателя выполнялись исследования: по изучению процесса перетекания потока сквозь плоские образующие сетчатого заграждения ( прямая, полигональная, криволинейная ); опытных образцов четырёх модификаций конического двуполостного сетчатого заграждения с рыбоотводом с пуском натурного мусора и молоди рыб из Каховского водохранилища ( р. Днепр ). В опытах с пуском рыб принимали участие ихтиологи Запорожского бассейнового управления рыбинспекции, Укррыбвода и Центрального управления рыбохозяйственной экспертизы и нормативов (ЦУРЭН). Параметры заграждения ( ячея сетки, скорости потока, окна рыбоотвода ) отвечали натуре. Опыты проводились в дневное и тёмное время суток. Контроль процесса засорения и очистки сетки выполнялся визуально, а отловленный в рыбоотводе и в нижнем бьефе мусор взвешивался. Методика опытов с пуском рыбы была общепринятой. Перед опытами рыба выдерживалась в аквариумах лаборатории, а
после опытов вновь отсаживалась в аквариумы для определения её выживаемости в течении двух и более суток. Проводились опыты с одновременным пуском мусора и рыбы. Оценку эффективности защиты рыб производили с учётом выживаемости рыб.
Научная новизна полученных результатов
1. Разработаны новые компоновки рыбозащитных сооружений, включающие:
колодец для размещения блока РЗУ и водоструйного кольцевого насоса (ВКН), который связан с рыбоотводом. В блоке РЗУ размещена конструкция конического двуполостного сетчатого заграждения с сектором очистки и окна ми рыбоотвода ( а.с. №1177412 ); водоприёмный оголовок - блок РЗУ, вы двинутый в водоток, в котором размещена конструкция плоского сетчатого заграждения, установленного с уклоном в горизонтальной плоскости, с очисткой сетки воздушно-пузырьковыми струями ( патент №1231117 ); наплавное РЗУ эколого-гидравлического типа ( мягкая забральная стенка: патент №1025781, патент №1142587, а.с. №1167260; щелевой водоприёмник а.с. №1146361 ).
2. Обоснование новых сетчатых рыбозащитных конструкций основано на сле дующих положениях, предложенных автором: устойчивое движение рыб у сетчатого заграждения определяется не только скоростями плавания, но и площадями миделевых сечений тела рыб по направлению скоростей потока сквозь сетку Vcno её длине; при размещении образующей сетчатого заграждения в горизонтальной плоскости под углом в 90° к горизонту рыбы несут от 1,8 до 2,5 раз меньшую нагрузку, чем перед вертикальной косо установленной сеткой; выполнение образующей сетчатого заграждения в виде трактрисы ( угол в изменяется от 90 до 6°у рыбоотвода ) позволяет достичь плавного уменьшения Vcno длине заграждения в направлении к рыбоотводу ( по мере продвижения рыбы к рыбоотводу она затрачивает меньше живой энергии, тат как противостоит уменьшающейся скорости Vc); короткая длина образующей сетчатого заграждения достигается путём его объёмного формирования в виде двух конических поверхностей, вершины которых соприкасаются по вертикали ( короткая длина заграждения уменьшает время пребывания рыб у сетки, исключает её контакт с сеткой и повышает эффективность отвода рыб в рыбоотвод ); размещение съёмного сектора очистки с окнами рыбоотвода в пространстве между конусами позволяет достичь эффективной очистки сетки от мелкого мусора транзитным потоком ( самоочистка сетки ) при вращении заграждения вокруг вертикальной оси со скоростью 1 об/ минуту.
3. Получены новые экспериментальные данные распределения пьезометриче ских давлений, скоростей в живых сечениях и линий тока по длине образующей в зависимости от изменения коэффициента живого сечения сетки, формы образующей сетки (плоская с углом установки в = 90; 70; 51; 45; 36,5; 26; 17; 10°; полигональная, полная и укороченная трактриса ), расхода на входе и в рыбоот-воде. Эти данные позволили сделать выбор формы образующей оптимальной конструкции конического двуполостного сетчатого заграждения ( а.с. №1177412).
4. Получены новые экспериментальные гидравлико-биологические данные на опытно-промышленных образцах ( четыре модификации ) конического двуполостного сетчатого заграждения ( с перегородками а.с. №495409; с регенерирующей стенкой патент №763515; с сектором очистки а.с. №889786; с сектором очистки и встроенным в него рыбоотводом а.с. №1177412 ) по распределению:
пьезометрических давлений по длине заграждения; скоростей в живых сечениях; скоростей сквозь сетку по её длине, по очистке сетки в процессе пуска натурного мусора (ряска, нитяные водоросли ), по эффективности защиты рыб ( из Каховского водохранилища ) при трёх расходах на входе и рыбоотводе.
5. Разработана кинематическая схема движения жидкости и рыбы у криволинейной сетчатой преграды, ( угол# изменяется от 90 до 6°у рыбоотвода ). По лучены три основных режима ( в угловой форме ) работы преграды:
у = в,р = а \у = в-а,/3 = а + а ;у = в + а,/3 = а -а; расчётные зависимости для определения скорости сноса рыбы V
6. Предложена диаграмма относительного движения рыбы и определены пре дельные значения скорости подходного потока V п : V п = 0,5 V . для сетчатых преград с рыбоотводом и углом установки в = 90°; V п = V к для сетчатых преград с рыбоотводом и углом установки в 90 ° при длине заграждения L 10м;Уя = 1,5У - для сетчатых преград с рыбоотводом и углом установки в 90° при длине заграждения L 10 м, где V - критическая скорость течения потока для рыбы [Павлов, Пахоруков, 1973].
7. Сформулированы общие принципы проектирования РЗУ с учётом гидравлике - биологических критериев, включая научно обоснованные методики по гидравлическому расчёту и конструированию сетчатой преграды с криволинейной образующей на базе приближённого решения дифференциального уравнения с переменным расходом вдоль пути и водоструйного кольцевого насоса (ВКН) для отвода рыбы от РЗУ.
8. Выполнено обобщение и анализ существующих классификаций рыбозащит-ных конструкций и предложена концепция защиты рыб, включающая три направления ( этапа ): перераспределение концентрации ранней и подросшей молоди на подходе к водозабору; отвод рыб за пределы зоны действия водоза бора ( принудительный способ отвода рыб от РЗУ ); использование непроницаемых для рыб преград — «тонкое сито». Разработка проекта рыбозащиты на водозаборе начинается с первого этапа. Проект должен предусматривать возможность реконструкции - дополнительного размещения РЗУ эколого - гидравлического типа или «тонкое сито». Реконструкция требуется в том случае, когда РЗУ первого этапа не отвечает нормативным требованиям эффективности защиты рыб.
Практическая значимость полученных результатов.
1.Результаты исследований и разработок вошли в СНиП 2.06.07 - 87 «Подпорные стены судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения» в раздел «Рыбозащитные сооружения»: пп.4.32; 4.34.
2. В помощь проектировщикам разработаны технические решения «Рыбозащитные сооружения и устройства водозаборов мелиоративных систем».
3. В производство внедрены новые конструкции: конического двуполостного РЗУ ( Шапсугский рыбопитомник в Краснодарском крае; колхоз С. Юлаева в Башкирии; ПО «Коломыясельмаш» в Украине; Дубровского водохранилища в Белоруссии; гидроузла Костешты-Стынка в Румынии; АНС -1 Аштского массива в Таджикистане ); косо установленной в горизонтальной плоскости сетки с рыбо-отводом и с очисткой сжатым воздухом (МНПО «Союз» в Москве; Краснопресненский сахорорафинадный завод в Москве ); эколого - гидравлического типа - « забральная мягкая стенка с придонным забором воды» ( ГНС Комсомольской ОС в Саратовской области ) и «крышка скорости» ( ОПХ Григорьевское г.Ярославль ).
4. Годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований и разработок составил 2573,1 тыс. рублей.
5. Широкое внедрение этих типов РЗУ, при заводском изготовлении с использованием новых конструктивных материалов, позволит заменить устаревшие малоэффективные конструкции РЗУ на тысячах мелких и средних мелиоративных водозаборах нашей страны.
Личный вклад соискателя.
Диссертационная работа является результатом более 40 -летних исследований автора, выполненных в гидравлических лабораториях ЗАО ПО «Совинтервод» и СКБ «Запорожгидросталь». Постановка проблемы и реализация задач гидравл-ико-биологичекких исследований и их анализ, формирование путей её решения и итоговых выводов осуществлены лично автором. При проведении отдельных этапов исследований принимали участие сотрудники СКБ «Запорожгидросталь»: Погорелов В.П., Одинец Ю.С. и Герус Л.Е. В натурных испытаниях конического РЗУ Шапсугского рыбопитомника в Краснодарском крае принимали участие ихтиологи: Извольский И.С. ( ЦУРЭН); Работа В.Ф. ( Кубанрыбвод ); Богач А.ЩКубанская инспекция рыбоохраны ). Личное участие автора во внедрении результатов исследований и разработок в производство. При постановке ряда задач, рассмотренных в диссертации, и подготовке диссертации автор получил ценные советы от доктора технических наук, профессора И.С. Румянцева и к.т.н., профессора Барекяна А.Ш.
Апробация результатов диссертации
Основные результаты работы и главные положения диссертации докладывались, обсуждались и были одобрены на: координационных совещаниях по вопросам рыбопропуска и рыбозащиты ( г. Рига, 1977 г.; г. Новочеркасск, 1984 г. ); совещании в «Высшем институте по архитектуре и строительству» г. София, 1980г.; совещании в строительной фирме CAP «Military housing establishment», 1988 г.; Всесоюзной конференции «Гидравлика и экология будущего», г. Москва, 1990; заседаниях секции рыбопропускных и рыбозащитных сооружений межведомственной ихтиологической комиссии, г. Москва, 1985 - 1997гг.; совещаниях в институте «Гидропроект», г. Москва и ЗАО ПО «Совинтервод», г. Москва , 1977 2007г. Результаты работы и главные положения диссертации вошли в монографию «Fish - protecting structures of reclamation water inlets» - Рыбозащитные сооружения мелиоративных водозаборов. Издательство «Палеотип», М., 2007, 247 с. Публикации
По результатам работы опубликовано 51 научная работа, в том числе 9 патентов на изобретения, 12 а. с, 4 монографии и 8 работ в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ для публикаций по докторским диссертациям.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы из 154 наименований, 8 приложений и содержит 210 страниц основного текста, в том числе 18 таблиц, 93 рисунка, всего 278 страниц.
Сравнительная оценка классификаций рыбозащитных устройств
Соискатель поставил цель найти одинаковые или близкие признаки в рассмотренных выше классификациях РЗУ и разместить их в столбце. Таких столбцов оказалось пять. В первый столбец вошли РЗУ: гидравлические, экологические, отгораживающие, зонные и оградительные. Эта группа РЗУ выполняют перераспределение концентрации ранней и подросшей молоди рыб в потоке водотока. Во второй столбец вошли РЗУ: механические, физические, принудительные, фильтрационные, сбор и перенос. Таблица 1.1- Результаты сравнительного анализа классификаций рыбозащитных устройств
Эта группа РЗУ в своём составе содержит «тонкое сито» - мелкоячеистую сетку, гравийный или песчаный фильтрующий материал, сквозь который происходит фильтрация воды в водозабор. Третий столбец включает РЗУ: « физиологические», поведенческие, естественные, заградительные, направляющие и отпугивающие. Эта группа РЗУ основана на использовании реакций рыб ( привлечение, активный уход, испуг и др.) в ответ на раздражители. Четвёртый столбец состоит из комбинированных, комплексных и многоступенчатых РЗУ. Эта группа РЗУ не вносит новых признаков в классификацию РЗУ, а указывает на возможность сочетания известных признаков. Пятый столбец включает РЗУ: отводящие, перераспределяющие и переформирующие и др.. Эти РЗУ размещаются в специальных камерах, в которых путем изменения структуры потока отводят молодь рыб в зону рыбоотвода. В основу новой концепции защиты рыб при водозаборах положена таблица 1.1с выделением трех основных направлений: перераспределение концентрации ранней и подросшей молоди рыб в потоке водотока; отвод молоди рыб в безопасную зону; преграды - « тонкое сито». На рисунке 1.1 показана расширенная схема концепции защиты рыб.
Период внедрения эффективной и надёжной рыбозащиты на водозаборе можно разделить на три временных этапа: первый этап включает выбор места водозабора, сбор ихтиологических ( гидрологических и др.) данных и разработка рыбозащитных мероприятий; второй этап связан с использованием группы рыбозащитных сооруженй, оборудованных эколого -гидравлическими РЗУ; третий этап связан с использованием наиболее надёжных и эффективных преград - «тонкое сито». Второе направление - отвод рыбы в безопасную зону является связующим звеном мелсду первым и третьим направлениями, так как без отвода рыб нельзя организовать эффективную её защиту.
Заказчик всегда заинтересован вложить меньше капитальных средств в строительство рыбозащитного сооружения. Поэтому предлагаемая концепция позволяет ограничить первоначальные вложения за счёт поэтапного строительства рыбозащиты. При этом на водозаборе необходимо вести систематические наблюдения с целью определения действительной эффективности защиты молоди рыб. Если наблюдения покажут достаточно высокую эффективность, то рыбозащита принимается в эксплуатацию. Если рыбозащита не отвечает предъявляемым требованиям, то необходимо повысить её эффективность путём использования эколого -гидравлических РЗУ или преград - «тонкое сито». Первоначальный проект должен предусматривать возможность дальнейшей реконструкции рыбозащиты. Предлагаемая концепция позволит не только решить вопрос эффективной и надёжной рыбозащиты на конкретном водозаборе, но и накопить опыт для разработки рыбозащиты на других объектах. Подтверждением актуальности этой концепции является тот факт, что в настоящее время отсутствует проверенная, абсолютно надёжная и эффективная технология рыбозациты на водозаборах мелиоративных систем. Ниже более подробно рассмотрены этапы этой концепции. Первый этап.
Разработка рыбозащиты на водозаборе должна начинаться со сбора ихтиологических и гидрологических данных водоисточника. Анализ этих данных позволит приступить к разработке «Рыбозащитных мероприятий». При оценке места водозабора ( створа ) следует иметь в виду, что гибель молоди рыб на водозаборе можно свести к минимуму, если разместить его на участке с минимальной концентрацией рыб. Для этого необходимо располагать данными о временном и пространственном распределении рыб, а также о количестве молоди и цикличности воспроизводства рыбы. Если в зоне водозабора происходит массовый скат ранней молоди рыб, то необходимо продумать мероприятия по перераспределению концентрации рыб с целью отвода их за пределы зоны действия водозабора. При поверхностном скате рыб целесообразно использовать наплавную запань [21, 117, 60] или отбойные козырьки. Можно использовать РЗУ [61] с забором воды с заданной глубины, если на этой глубине отсутствует рыба или её концентрация минимальна. Если известна суточная ( сезонная ) динамика попадания рыб в водозабор, то следует, по возможности, прекращать отбор воды в периоды максимального ската рыб в водозабор. Варианты «Рыбозащитных мероприятий» следует проверить на фрагментах в лабораторных ( натурных ) условиях [45]. Фрагменты РЗУ представляют собой как бы часть натурного РЗУ, в которых изучается гидравлическая структура потока с пуском молоди рыб и мусора. По результатам исследований делается заключение ( прогноз ) об эффективности защиты рыб и целесообразности строительства и эксплуатации РЗУ с учётом экономической эффективности [106,107]. Второй этап.
Если эффективность защиты рыб не отвечает требованиям СНиП 2.06.07.87 [121], то следует перейти ко второму этапу разработки РЗУ - «Эколого - гидравлические РЗУ». Эта группа РЗУ с проницаемыми для рыб преградами: жа-люзийный РЗУ с рыбоотводом [62], зонтичные ЗРЗ -1 и ЗРЗ - 2 [40], воздушно - пузырьковая завеса ( ВПЗ ) [40], концентраторы и сепараторы [12], объёмный гидравлический экран со струегенераторами и РЗУ типа «локальный объёмный искусственный стрежень» [13].
Разработка и внедрение оптимальной конструкции РЗУ в производство
Результаты исследований вошли в СНиП 2.06.07- 87 «Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения»: таблица 4 - РЗУ, которые рекомендуются к строительству - «Конический двуполостный рыбозаградитель с рыбоотводом». По результатам исследований разработана методика расчёта РЗУ, которая апробирована на ряде построенных объектах. 1.В состав теоретических исследований входило: разработка математической модели движения потока и рыб у косо установленной сетчатой преграды, расположенной в горизонтальной плоскости; методики расчёта распределения удельных расходов по длине преграды с учётом отделения части расхода в рыбоотвод; методики расчёта водоструйного кольцевого насоса ( ВКН ) для отвода рыбы от РЗУ. 2. В состав экспериментальных исследований ( первый этап ) входило: изучение на стенде движения потока и рыб у косо установленной сетчатой преграды ( плоская, полигональная, криволинейная ), а также распределение скоростей и пьезометрических давлений по длине преграды. 3. С учётом результатов первого этапа ( выбор оптимальной образующей сетчатого заграждения РЗУ ) разработан рабочий орган конического двуполостного заграждения и выполнены гидравлико - биологические испытания ( второй этап ) четырёх модификаций опытного образца РЗУ на стенде (расход до 150,0 л / с ). 4. Делается выбор оптимальной конструкции конического двуполостного заграждения с сектором очистки и встроенным в него рыбоотводом, который рекомендуется к внедрению в производство. Лабораторные исследования на модели горизонтальной наклонно движущейся бесконечной сетки показали, что линии тока в 5 до 10 см от сетки плавно отклоняются от направления подходного потока и входят в ячейки сетки под угол а от 10 до 60 [39]. Причём, чем меньше расстояние до сетки, тем больше значение а .
Натурные исследования вертикальных сеток, установленных под углом в 90 к подходному потоку, показали, что угол а изменяется по длине преграды от 5 в начале и до 30 и более в зоне рыбоотвода [130]. Исследователи [132, 4] отмечают, что при уменьшении скорости подходного потока Уя угол а увеличивается.
Лабораторные исследования конусного РЗУ [136] показали, что угол /3 выхода струйки от горизонтали изменялся от 70 до 25на входе и от 20 до 10 у входа в рыбоотвод в зависимости от расхода РЗУ. В настоящее время отсутствует общее представление о движении жидкости перед и за сетчатой преградой с учётом отбора части расхода в рыбоотвод. Зависимость (3.3) необходимо корректировать с учётом угла а.
Если через у обозначить угол между плоскостью сетчатой преграды и вектором скорости V ( направление которого совпадает с касательной в заданной точке на линии тока ), тогда можно выделить три режима ( в угловой форме ) работы преграды:
Возможность рыбы уйти от сетчатой преграды определяется не только скоростями плавания, но и миделевым сечением тела рыбы по отношению к нормальной составляющей V N скорости подходного потока V. При размещении сетки в горизонтальной плоскости рыбы несут нагрузку от 1,8 до 2,5 раза меньшую, чем перед вертикальной сеткой [76, 75]. Рыба ориентируется перед сеткой по линиям тока. На рис.3.3 показаны фрагменты кинематики движения рыб у горизонтально установленной сетчатой преграды с образующей, описанной уравнением трактрисы ( 3.1 ) [87]. На рисунке 3.4 показан фрагмент силового воздействия потока на рыб в процессе их устойчивого движения у сетчатого заграждения, установленного в горизонтальной плоскости, с переменным углом в к направлению подходного потока. где р р - плотность рыбы; р в - плотность воды; М;, - масса тела рыбы. Сила гидродинамического подъема необходима для создания равновесия в вертикальной плоскости. В горизонтальной плоскости сила тяги рыбы R противопоставляется силе сопротивления F тела рыбы обтекаемого потоком, которая для тела обтекаемой формы находится из известной зависимости [75]: где S - площадь смоченной поверхности обтекаемого тела; V - скорость потока; С7.= СУ+СР- общий коэффициент сопротивления; С f- коэффициент сопротивления трения; С Р - коэффициент сопротивления давления. Равновесие рыбы во время прямолинейного движения связано с выравниванием вертикальных и горизонтальных сил, действующих на тело рыбы и приложенных в центре тяжести тела рыбы. Под влиянием внешнего раздражителя рыба может замедлить реореакцию RP и увеличить угол у = 0 + а или в момент испуга увеличить R,, и уменьшить угол у 0-а. Изменение угла / в сторону увеличения или уменьшения приводит к неустойчивому движению рыбы :
Возврат рыбы к устойчивому движению связан с выбором нового угла у путем уравновешивания компонент сил сопротивления из уравнения: где со с, со т - площади миделевых сечений тела рыбы соответственно по направлению скоростей Vc и Vr ( рисунок 3.4 ).
Математическая модель движения рыбы у сетчатой преграды с криволинейной образующей
В этом подразделе приведены результаты экспериментальных исследований, выполненные на стенде ( рисунок 2.1 ), который позволял использовать съёмные плоские и криволинейные сетчатые преграды с рыбоотводом. Программа исследований приведена в приложении А. Результаты опытов приведены в приложениях: Б - распределение пьезометрического давления перед и за сетчатой преградой с рыбоотводом; В - распределение скоростей течения потока перед и за сетчатой преградой с рыбоотводом; Г - распределение углов входа и выхода линий тока перед и за сетчатой преградой с рыбоотводом. 4.1.1 Распределение потерь пьезометрического давления по длине сетчатой преграды с рыбоотводом Обработка опытных материалов ( приложение Б ) позволила построить графики потерь пьезометрического давления на плоских ( в = 90; 70; 51; 36,5; 26; 17; 10) и криволинейных ( полигональная, полная и укороченная трактриса ) сетчатых преградах с рыбоотводом ( рисунки 4.1 - 4.4 ).
На графиках приняты обозначения: О - угол установки сетчатой преграды к направлению подходного потока; Qpo - расход рыбоотвода; Q - расход сетчатой преграды - рыбозащитного устройства ( РЗУ ), Ah - потери пьезометрического давления; А - коэффициент живого сечения сетки [27]. На рисунке 4.5 приведён обобщённый график зависимости Ah = f{9,0, Л, Qro), который отражает максимальное и минимальное значение потерь напора на сетчатой преграде с заданным значением угла в. При анализе рисунков 4.1 — 4.4 будут указаны конкретные значения Ah. Ниже подробно остановимся на анализе графиков (рисунки 4.1 - 4.4 ), так как они являются основной доказательной базой теории распределения удельных расходов по длине сетчатой преграды, а значит и скоростей сквозь сетку. Анализ плоских сеток. Для сеток 9 = 90(рисунок 4.1а) и в = 70(рисунок 4.lb) при QPO = О А/г = const по L (длина преграды ). При QPO- 15 % Q в зоне рыбоотвода Ah ро уменьшаются на 10 % от значения в начале преграды А/г н, т.е. А/г н = 1,1 А/г ро. Начиная с в — 36,5 (рисунок 4.Id) при QP_0 = 0 Ah const по L : величина А/г увеличивается в направлении к рыбоотводу. При в = 36,5 (рисунок 4.Id) А/г ро= 1,7 А/г я. При 0 = 26 (рисунок 4.4 с) А/г ЛО= 2,2 А/г я. При 0 = 17 (рисунок 4.2) А/г ЛО= от 1,85 до 5,5 А/г я в зависимости от А = 0,695 или 0,64. При 0 = 10 (рисунок 4.3 а) А/г РО= 3,2 А/г н. При QPO 0 в зоне рыбоотвода происходит снижение А/г, величина этого снижения зависит от расхода Qpo. При в = 17 (рисунок 4.2 d) ДА ро = 3 Д/г н при QP0= 5 % Q и АЛ ло= 1,5 ДА я при QPO= 10 % Q, а при отборе QPO = 15 % Q величина А/г имеет отрицательное значение ( поток поступает в рыбоотвод со стороны нижнего бьефа сетки ). Для сетки в = 26 (рисунок 4.4 с) Ah РО = 1,33 А/г н при (2ЛО= 5 % Q и А/г ЛО = 1,2 А/г я при Q/ 0 = 10 % Q, а при отборе Q1 0 = 15 % Q величина А/г имеет отрицательное значение ( поток поступает в рыбоотвод со стороны нижнего бьефа сетки ). Анализ криволинейных сеток. При QPO = 0 для полигональной (Полиг. ) сетки А = 0,64 (рисунок 4.3 Ь) пьезометрическая кривая имеет минимум при L,7 L = 2 / 3, величина которого рав-наД/г н I Ah2n= 55 / 30 =1,8, причём А/г н = Ah ро. При QP0= 0 для полигональной сетки А = 0,695 (рисунок 4.3 с) пьезометрическая кривая имеет минимум при L(7 L = 2 / 3, величина которого равна Д/г н I А/г2/3= 55 / 40 =1,4, причём Д/г н = А/г / 0. При QPO 0 в зоне рыбоотвода L,7 L = 1/3 происходит снижение Д/г, величина которого зависит от расхода Q,, 0. При отборе Q lS oQ величина Д/г имеет отрицательное значение ( поток поступает в рыбоотвод со стороны нижнего бьефа сетки ). Для полной трактрисы ( П. Тр. ) (рисунок 4.3 d) QPO= 0 и А = 0,64 пьезометрическая кривая имеем более глубокий минимум по сравнению с полигональной сеткой: при L,7 L = 2 / 3 величина Д/? н I Д/г2/3= 45 / 5 = 9, причём Д/г н = 2,25 AhK, гдеД/гл. - потери давления в конце преграды.
Новое конструктивное решение рыбозащиты водозаборного оголовка, выдвинутого в водоток
На участке СД происходит процесс торможения частиц жидкости и искривления линии тока с обратной кривизной по отношению к участку АВ. Рисунок 4.15 - Линии давления в нормальном створе полигональной сетки. На рисунке 4.16 приведены значения угла а входа струйки в ячейку сетки для плоских и криволинейных сетчатых преград. Из рисунка 4.16 видно, что для плоских сеток угол а в начале сетки имеет положительное значение ( от О до 12), а в конце сетки зависит от величины расхода рыбоотвода. При Q?.0 т О имеет отрицательное и при Q,, 0 - положительное значение. В начале криволинейной преграды угол а имеет отрицательное значение ( от - 10 до -20) и увеличивается к концу преграды независимо от расхода рыбоотвода. Таким образом, как это уже отмечалось ранее, криволинейная преграда ( рисунок Г 5 ) сильнее ( на больший угол -а ) отклоняет линии тока в сторону рыбоотвода. а - без отбора расхода в рыбоотвод; б - при отборе расхода в рыбоотвод
Рисунок 4.17 - Средние значения углов входа аа и выхода а ср струек для плоских сеток. Для плоских сеток (в от 10 до 20")значение рСР изменяется от 12 до 15,а в интервале в от 35 до 45 "имеет максимальное значение = 20" и стремится к нулю при 9 = 90, что хорошо согласуется с теорией. 4.2 Результаты второго этапа экспериментальных исследований В этом подразделе приведены результаты гидравлико - биологических исследований четырёх модификаций опытных образцов конического двуполостного сетчатого заграждения с рыбоотводом ( таблица 2.2, схемы 1, 2, 3 и 4 ). камеры (таблица 2.2, схема 1 ) На рисунке 4.18 показан блок РЗУ с коническим двуполостным сетчатым заграждением (рисунок 4.19).
Максимальная пропускная способность блока РЗУ - 150 л / с. Исследованию подлежали два варианта корпуса блока РЗУ ( рисунок 4.20 а ), три положения верхней крышки корпуса блока РЗУ ( рисунок 4.20 b ) и две формы входного окна рыбоотвода ( рисунок 4.20 с ).
Предварительные испытания РЗУ с уплотнением одного сектора ( корпус 1 ) показали неудовлетворительную работу рыбоотвода: часть рыб не успевала поступить в окно рыбоотвода за время его уплотнения. Корпус был выполнен с уплотнением 2,3 сектора ( корпус 2 ). Все серии опытов с пуском рыб ( таблица Д 3 ) были выполнены на РЗУ с корпусом 2. В процессе испытаний выяснилось, что наиболее эффективна форма 2 окна рыбоотвода , при которой увеличивается время отбора рыбы в рыбоотвод при уплотнении секторов. Гидравлические исследования положения верхней крышки ( рисунок 4.20 b ) на корпусе 1 без сетчатого заграждения показали незначительные расхождения по величине полных потерь напоре ( рисунок 4.21 ).
Из рисунка 4.22 видно, что в зоне сетчатого заграждения происходит восстановление давления за счёт снижения скоростей в этой зоне. Скачок давления имеет место при выходе потока из сетчатого заграждения, где повышенные скорости потока связаны с очисткой сетки от мелкого мусора, который присутствует в воде накопительного бассейна. В выходном водоводе происходит плавное снижение давления. На рисунке 4.23 показаны эпюры скоростей по трем створам РЗУ с корпусом 2.
