Введение к работе
Общая экологическая обстановка и современные темпы водопотребления из внутренних водоемов для нужд промышленности, энергетики, ирригации требуют повышенного внимания к вопросам охраны окружающей среды. Гидротехническое строительство на реках и забор больших объемов воды приводят к снижению запасов промысловых видов рыб, сокращению темпов их естественного воспроизводства. Для сокращения ущерба от табели рыб до размеров, не угрожающих естественному воспроизводству, требуется система специальных устройств в составе гидротехнических сооружений, обеспечивающих безопасность миграций рыб на всех стадиях развития и включающих рыботранспорти-рующие, рыбопропускные, нерестовые, рыбозащитные и рыбоспускные объекты.
К настоящему времени накоплен значительный опыт по разработке и применению каждого из перечисленных классов сооружений, но вместе с тем, доминирующим по разнообразию конструктивных решений и степени гидравлико-биологической обоснованности их применения на первом месте стоят рыбозащитные сооружения. Среди ученых, внесших значительный вклад в создание основ рыбозащиты как науки, следует выделить Г.К. Харчева, Л.М. Нусенбаума, Д.С. Павлова, А.М. Пахорукова, Б.С. Малеванчика, А.Ш. Барекяна, В.В. Петрашкевича, А.С. Цыпляева, А.Б. Ващинникова, A.M. Болыдова, Л.П. Фияьчагова, А.Л. Эрслера, А.И. Лупандина, И.И. Рипинского, A.M. Мотинова, И.В. Никонорова, В.М. Сішявскую, Г.С. Муравенко, В.Н. Киселева-Цецхладзе, Г.Н. Ряховскую, ГЛ. Сегаля и др.
Рыбозащитные сооружения, предназначенные для оборудования водозаборов, делят на РЗС для крупных, средних и малых водозаборов. При этом проблема оборудования малых и средних водозаборов решается достаточно эффективно и надежно, поскольку всегда можно выбрать из имеющегося арсенала рекомендованных к внедрению рыбозащитных сооружений то единственное, которое с максимальной вероятностью обеспечит и требования рыбозащиты, и требования водоподачи. Самые же серьезные проблемы имеют место на крупных водозаборах, забирающих воду большими расходами на коротких участках водотоков или из непроточных водоемов. Специфика их состоит в том, что даже при относительно небольших концентрациях рыб в потоке забираемой воды абсолютные значения количества гибнущей здесь рыбы оказываются существенными.
В связи с этим, актуальность темы выполненных исследований определяется необходимостью решения ряда задач, связанных с обоснованием способов защиты рыб и проектированием рыбозащитных сооружений водозаборов большой производительности, к которым, в частности, относятся водозаборы ирригационных систем, энергообъек-тов(ТЭЦ, ГРЭС, АЭС), промпредприятий.
Целью настоящей работы является дальнейшая разработка методологических основ защиты рыб на водозаборах, системы инженерного расчета элементов комплексных рыбозащитных сооружений, создание и научное обоснование новых технических решений по защите рыб от попадания в крупные водозаборные сооружения, создание методов расчета функциональной эффективности комплексных РЗС.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач: сформулировать концепцию защиты рыб на крупных водозаборах;
выполнить классификацию рыбозащитных сооружений по способу защиты рыб;
разработать компоновочные схемы и обосновать конструктивные параметры к плексных РЗС;
разработать методику определения эффективности комплексных рыбозащитных сое жешш;
разработать практические методы гидравлического расчета элементов комплексі РЗС;
выполнить натурную апробацию предлагаемых конструкций и дать техш экономическую оценку их работоспособности.
Методы исследований. В работе осуществлялось последовательное применение < темного подхода к поиску путей и методов решения проблемы защиты рыб от попадаш гибели на крупных водозаборах. Для решения поставленных в работе задач использе лнсь теоретические и экспериментальные методы. При выводе теоретических зависимое использовались представления о течении при плановом изгибе русла, при путевой разд расхода, при выходе газа под уровень воды, при отводе части расхода и др. Метод проведения теоретических исследований основывалась на использовании уравнений і родинамики, результатов экспериментов по изучению структуры потока и математичес моделей работы сооружений. Экспериментальные исследования проведены в лабораз ных и натурных условиях на моделях, фрагментах и действующих рыбозащитных сое жсииях ирригационных и энергетических водозаборов.
В рамках диссертации было уделено значительное внимание методам математі ского моделирования с реализацией их на персональных электронных вычислитель] машинах.
Научная новизна работы заключается в полученных результатах, совокупне которых можно квалифицировать как решение научной проблемы, имеющей важное : чение в цепи мероприятий по управлению охраной рыб во внутренних водоемах интенсивном изъятии воды из поверхностных источников. В качестве новых можно назвать следующие результаты исследований:
сформулированы концепция и основные принципы рыбозащиты;
предложена новая классификация РЗС;
теоретически и экспериментально обоснованы технические решения по комплексі РЗС для крупных водозаборов;
получены полуэмпирические зависимости для расчета элементов комплексных РЗС;
предложена и реализована методика прогноза эффективности рыбозащитных coopj ний, основанных на поэтапной защите рыб.
Личный вклад автора выразился в разработке общего подхода к решению пос ленных задач, создании методов исследований и непосредственном участии в проведе экспериментов, в теоретической обработке полученных результатов, формулировке н; ных положений и выводов, в создании новых технических решений, участи] обосновании их основных параметров, проектировании, внедрении и испытании, в ра ботке математических моделей анализа и прогноза функциональной эффективности РЗ
Практическая значимость работы состоит в том, что предложенные конструкці
технологии позволяют эффективнее решать проблемы защиты рыб от попадания в крупные водозаборы, снабжают практиков обоснованными методами прогаоза функциональной эффективности рыбозащитных сооружений.
Достоверность научных положений и ochobfuix выводов установлена их экспериментальной проверкой в лабораторных условиях, а также подтверждается данными натурных исследований действующих сооружений, результатами численного моделирования.
На защиту выносятся счедующие положения:
концепция рыбозащиты на крупных водозаборах;
классификация рыбозащитных сооружений;
целесообразность и перспективность применения на крупных водозаборах комплексных рыбозащитных сооружений, в т.ч. запатентованных автором настоящей работы;
новые технические решения и научное обоснование конструкции многоступенчатых и комбинированных РЗС для крупных водозаборов;
методы расчета функциональной эффективности комплексных рыбозащитных сооружений.
Внедрение результатов работы на разных этапах ее выполнения осуществлено при обосновашпг и реализации проектных решений рыбозащитных сооружений водозаборов Марьяно-Чебургольской оросительной системы, Каширской ГРЭС-4 АО Мосэнерго, Смоленских тепловых сетей, Смоленской ТЭЦ-2 АО Смоленскэнерго, Калининградской ГРЭС-2, Калининградской ТЭЦ-2 АО Янтарьэнерго, Новополонхой ТЭЦ, Новолукомльской ГРЭС, Белорусской ГРЭС (Республика Белорусь), Балаковской ТЭЦ-4 АО Саратовэнерго, Ульяновской ТЭЦ, Уфимской ТЭЦ-5, Тюменской ТЭЦ-1, Тюменской ТЭЦ-2, Тамбовской ТЭЦ и др.
Результаты работы использованы в учебном процессе ТГТУ при выполнении курсовых и дипломных проектов по специальностям "Гидротехническое строительство" и "Комплексное использование и охрана водных ресурсов".
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научно-технических конференциях Тверского государственного технического университета(1980-1997г.г.), на конференции молодых ученых Нечерноземья (г,Калинин,1982г.), на Всесоюзных Координациошшх совещаниях по рыбозащите в г.Новочеркасске (1984г.) и г.Астрахани (1989г.), на Всесоюзном совещаіши по гидротехнике (г.Куйбышев, 1985г.), на Всесоюзной конференции "Гидравлика и экология будущего" (г. Москва, 1990г.), на научно-практической конференции в институте Гидропроект им. С.Я. Жука (г.Москва, 1985г.), на 2-ой международной научно-технической конференции по массопереносу (Тверь, 1996), на научных семинарах кафедр «Инженерных мелиорации, гидрологии и охраны окружающей среды», «Экологических основ природообустройства» и "Гидротехнических сооружений" Санкт-Петербургского государственного технического университета(Санкт-Петербург, 1996,1997).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 39 работ, в том числе в центральных журналах, межвузовских сборниках и ведомственных изданиях. Получено 13 авторских свидетельств и патентов на изобретения.
Объем работы. Диссертация изложена на 282 стр. машинописного текста и состс из введения, семи глав, основных выводов, списка использованных источников из 203 і именований и приложения. По тексту работы приведено 114 рисунков и 7 таблиц. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность работы, цель и задачи исследований, изложе: основные результаты и положения, выносимые на защиту.
В первой главе показано место рыбозащитных сооружений(РЗС) системе водозаб< ного комплекса и указано на обязательность применеїшя РЗС при водозаборе, рассмат] ваются и формулируются основные категории, понятия и концепция рыбозащиты крупных водозаборах, приводятся классификации рыбозащитных сооружений.
В целях упорядочешія управления охраной рыб на водозаборах в работе предла ется последовательность шагов по научно-методическому, нормативно-техническо обеспечению создания технических средств, их проектированию, внедрению и апробащ включая стадию определения функциональной эффективности действующего сооружен; Далее в работе раскрывается существо отдельных, наиболее важных и наименее разра( тайных аспектов рыбозащиты.
Методология рыбозащиты предполагает следование определенным принцип: Впервые они были сформулированы Д.С. Павловым и А.М. Пахоруковым в монограф "Биологические основы защиты рыб от попадания в водозаборы". Накопленный на cei дня значительный опыт разработки, применения и испытания рыбозащитных сооружен! анализ публикаций последних лет позволили пересмотреть отдельные методологичеи аспекты проблемы рыбозащиты. В результате сложилась следующая система принцип без учета которых, на наш взгляд, невозможно решение задачи предотвращения габе рыб на водозаборных сооружениях:
-
Объектом зашиты является молодь рыб, обладающая на различных стадиях развит сформировавшимися внешними, внутренними и поведенческими признаками;
-
Обращение с объектом защиты - рыбой на различных стадиях онтогенеза - как с жив организмом, имеющим набор поведенческих реакций и других особенностей, отлича щих его от неживых физических тел;
-
Обеспечение жизнеспособности и выживаемости рыб в результате взаимодействия и рыбозащитным сооружением;
-
Применение знаний о морфологии, физиологии и реакциях рыб для регулирования управления их поведением ; '
-
Использование знаний о среде обитания рыб, способах управления ее структурой и фи ческих факторах воздействия.
Эти основные принципы реализуются в способах или методах рыбозащиты. Пр лагается следующая трактовка в названиях способов.
Этолого-преферентный способ основан на использовании закономерностей, связанны образом жизни рыб (распределение и миграции), их естественным поведением и особ ностями выбора мест и условий обитания.
Поведенческий способ базируется на принципе использования вынужденных поведен ских реакций рыб для предотвращения их гибели на водозаборе.
Физхыеский способ опирается на физические факторы воздействия на рыб через изменение структуры среды обитания, либо с использованием ее в качестве проводника, и учет реакций их на физические раздражители.
Учитывая сложившийся подход к решению проблемы рыбозащиты в сложных ихтиологических условиях, состоящий в применении РЗС с многофакторным воздействием на рыб, решающих в комплексе задачу предотвращения попадания разноразмерной молоди в водозабор, дополнительно к перечисленным способам добавляется комбинированный способ, предполагающий одновременное применение различных способов.
Реализация принципов и способов рыбозащиты осуществляется через сооружения. Наличие большого количества технических решений по конструкции РЗС предполагает их группировку, классификацию по определеїшьш признакам с целью придания материалу системности.
Существует несколько классификаций рыбозащитных сооружений по различным признакам, в том числе по способу защиты рыб, в которых в той или иной мере прослеживается цепочка последовательных шагов по группировке РЗС и ее интерпретации. Ранее выполнены классификации РЗС Нусенбаумом Л.М., Павловым Д.С. и Пахоруковым A.M., Киселевым-Цецхладзе В.Н. и др., Малеванчиком Б.С. и Никоноровым И.В. Полученные и опубликованные новые материалы по поведению и реакциям рыб в различных условиях позволили конкретизировать способы защиты рыб тем или иным устройством и безусловно отнести их к определенной группе.
В связи с этим, предлагается новая классификация рыбозащитных сооружений водозаборов.
Поскольку РЗС входят неотъемлемой частью в состав водозаборных сооружений, то по аналогии с последними считаем возможным разделить их:
по виду водоисточника - на речные и водохраншшщные;
по категории надежности - на три категории(1, 2, 3);
по компоновке основных элементов - на совмещенные с водоприемником водозабора и раздельные (расположенные на подходе к водозабору);
« по сроку эксплуатации - на временные и постоянные;
по производительности водозабора - на РЗС для малых (расход менее 1 м3/с), средних (от
1 до 6 м3/с) и крупных (больше 6 м3/с) водозаборов;
по наличию системы рыбоотведения - на РЗС с рыбоотводом и без него;
по способу защиты рыб - на фильтрационные, зонные ограждения, гидромеханические, поведенческие и комплексные.
Отсутствие рекомендаций по области применения РЗС в зависимости от водопо-требления создает определенные трудности для водопользователей в связи с выбором типа сооружения. Решением этой проблемы может стать предлагаемая классификация по ггро-изводительности водозабора(рис.1).
Несмотря на столь широкий спектр перечисленных выше возможных классификаций рыбозащитных сооружений, основной является классификация по способу защиты рыб. Современный уровень знаний о механизме защиты рыб тем или иным сооружением дает возможность с учетом всего предыдущего опыта обобщить предложения по класси-
яолюэи+ВВЗ
ижяониа* cents +ВВЗ
эмпань+ВВЗ
электрические
поворот+ плоская сетка
JSZ&.
Рис.1. Классификация рыбозащитных сооружений по производительности водозабора
фикации рыбозащитных сооружений в виде диаграммы (рис.2).
Новым по сравнению с предыдущими классификациями является выделение здесь в качестве самостоятельного вида сооружений - комплексных РЗС, включающих группы: - "РЗС с поэтапной защитой рыб", где защита рыб осуществляется поэтапно рядом самостоятельных сооружений, работающих независимо друг от друга;
-"Комбинированные", состоящие из двух и более сооружений, объединенных в единый рыбозашитный комплекс и проявляющих в совокупности новые качества. При этом способ и эффективность воздействия на рыб каждого сооружения из системы могут быть индивидуальны.
Среди методических вопросов важное значение имеет степень проработки и обоснованность способов опенки эффективности проводимых рыбоохранных мероприятий. Основные приемы и методы оценки эффективности РЗС изложены в методике ЦУРЭНа и сводятся к пересчету количеств рыб, попавших в водозабор до и после строительства ры-бозащитного сооружения. Сложность проведения качественных наблюдений состоит в том, что активные миграции рыб происходят в ограшгченный по времени период года, а в остальное время концентрации их в водоеме могут быть столь малы, что получение репрезентативных данных по эффективности рыбозащиты часто становится невозможным. В таких случаях следует использовать мегод искусственных запусков витально окрашенных рыб. Некоторые результаты по использованию данного метода в целях мечения рыб получены Леванидовьш В.Я. ,Коваль Н.В., Павловым Д.С., Гориным А.Н., Конобеевой В.К., Zuromska Н. и Fries Q., Deacon I J., Ващинниковым A.E., однако они отличаются большим разбросом в рекомендуемых концентрациях используемого красителя, что затрудняет их прямое использоваїше на практике. В настоящей работе приводятся экспериментально полученные в ТГТУ величины рекомендуемых концентраций красителя и времени выдерживания в нем рыб, обеспечивающие сохранение естественных поведенческих реакций окрашенной молоди.
Основная концепция рыбозащиты на крупных водозаборах состоит в использовании системного подхода к оценке ситуации, поиску путей и методов решения возникших проблем, совершенствованию научно-методического и нормативно-технического обеспечения.
В общесистемном подходе выделяются биологическая, гидравлическая, гидротехническая, нормативно-правовая, методологическая компоненты.
Биологами (Д.С. Павлов и др.) достаточно давно ведутся натурные наблюдения и выполняются экспериментальные исследования по изучению поведения рыб и реакции их на различные раздражители, накапливается и систематизируется фактический материал и разрабатывается идеология проблемы. Необходимо лишь более активное участие гидравликов в выполнении экспериментальных исследований в целях адекватного "фотографирования" состояния среды обитания рыб в процессе эксперимента и совместной с ихтиологами интерпретации полученных данных.
Полученные биологические и гидравлические результаты в качестве нормативных данных передаются гидротехникам и уже они совместно с гидравликами конструируют рыбозанштные сооружения с заданными параметрами.
Из гадравлико-биологических исследований вытекают и рекомендации норматив-
Рыбозащитные сооружения
фильтрационные
зонные ограждения
і— гидромеханические
поведенческие
комплексные
дамбы, кассеты
плоская сетка с рыбооводом
запани,забральные стенки, пороги
зонтичные РЗУ
рыбоконцентраторы с вертикальным перераспределением рыб
рыбоконцентраторы
-с
барические
электрические
с поэтапной защитой рыб
комбинированные
наклонно движущаяся сетка (НДС)
оголовки с переменным уровнем водоотбора
с горизонтальным перераспределением рыб
акустические
конусное РЭУ
водовоздушная завеса
термальные
конический многосекционный рыбозаградитель (КМРЗ)
гидроззвесы
жалюзииные экраны
экраны с укрытиями для рыб
роторные экраны
_ РОП
сетчатые барабаны
Рис. 2. Классификация рыбозащитных сооружений по способу защиты рыб
но-правового характера. Они же являются и базой методологической компоненты.
В связи с этим, считаем биологическую и гидравлическую компоненты основными в общей системе мероприятий по защите рыб на водозаборах.
В силу гидравлико-гидрогехнической направленности данной работы за биологическую основу в ней принимаются положения о поведении и реакциях рыб, сформулированные Д.С. Павловым и его школой.
Работы по созданию средств рыбозащиты крупных водозаборов ведутся в настоящее время в двух направлениях:
во-первых, это создание модульных конструкций, основанных на применении в качестве базовых модулей уже опробованных на малых и средних водозаборах устройств. Например, конусные и конические многосекиионные РЗС, (ВоджНИИГиМ, Совинтервод).
во-вторых, в направлении комплексного подхода к организации работ по предотвращению гибели молоди рыб при водозаборе, когда в качестве рыбозащитного сооружения выступает комплекс из двух или более разнотипных РЗС (ТГТУ .Укргипроводхоз).
При этом в качестве перспективного предлагается подход, при котором рыбоза-щнта осуществляется в несколько этапов, т.е. исходя из ихтиологической ситуации на каждом из этапов защищается и отводится от водозабора молодь определенных видов и размеров.
Поэтапная рыбозащита осуществляется гам, где по техническим или иным причинам необходимо разнести самостоятельные сооружения на некоторое расстояние друг от друга. В тех случаях, когда возможна или вынуждена компоновка сооружений на малой площади, прибегают к проработке вариантов комбинированных РЗС из единообразных модулей или из различных самостоятельных устройств.
Вторая глава работы посвящена обзору опубликованных результатов испытания рыбозащитных сооружений крупных водозаборов.
В разное время разработкой и обоснованием рыбозащитных сооружений крупных водозаборов занимались Цыпляев А.С., Нусенбаум Л.М., Большое A.M., Малеванчнк Б.С., Павлов Д.С, Пахоруков A.M., Фильчагов Л.П., Эрслер А.Л., Ряховская Г.Н., Баре-кян А.Ш., Лупандин А.И., Рипинсюш И.И., Синявская В.М., Булычев Т.Н., Муравенко Г.С., Киселев-Цецхладзе В.Н., Петрашкевич В.В., Ващинников А.Е., Сегаль ГЛ., Мотинов A.M. и др.
Основная масса существующих сооружений базируется на использовании фильтрующих экранов. Они весьма успешно работают как на малых, так и на средних водозаборах. Вместе с тем, на объектах с расходами воды выше 6 м3/с, как правило, возникают проблемы с защитой ранней молоди рыб, имеющей низкую плавательную способность. Она не в состоянии противостоять потоку, сносящему ее на фильтрующий экран, и оказывается прижатой к нему, а в результате - гибнет. Связано это с тем, что па практике не удается избежать существенной неравномерности фильтрации сквозь протяженные сетки или другие фильтры, и реальные скорости течения по длине фильтрующего полотна значительно отличаются от расчетных.
В целом отмечается низкая по результатам годичной эксплуатащщ эффективность практически всех рыбозащитных сооружений крупных водозаборов.
Формудируется цель настоящей работы, состоящая в научном обосновании новы технических решений и формировании подходов к решению проблемы эффективной 32 щиты рыб на крупных водозаборах.
Показано, что эффективность защиты рыб в конечном счете зависит от способа : технического оформления устройства для эвакуации сконцентрированных в определенно: области водоема рыб. Такими устройствами являются рыбоотводы.
В третьей главе приводится классификация рыбоотводов РЗС и экспериментально обоснование их конструктивных и технологических параметров для крупных водозаборов
Принято рыбоотводом называть устройство, предназначенное для отвода защи щенных в РЗС рыб в безопасную зону водоема и состоящее из оголовка, рыбоотводящег* тракта и рыбоотводящего канала (Малеванчшс Б.С., Павлов Д.С., Барекял А.Ш., Лупан дин А.И.). При этом оголовок является узлом сопряжения рыбозащитного сооружения і рыбоотвода. Рыбоотводящий тракт включает в себя узел создания направленного тока во ды. Рыбоотводящий канал служит для транспортировки защищенных рыб в рыбообитае мый водоем.
В результате анализа технических решений по конструкции рыбоотводов предлагается следующая их классификация (рис.3). Здесь все рыбоотводы подразделяются на «искусственные» и «естественные».
Искусственные рыбоотводы - такие, в которых на всем пути перемещения рьібі создаются условия, исключающие возможность проявления ими реакций на поток. Сюд; относятся «самотечные» и «насосные» рыбоотводы. Самотечные плотинные рыбоотводь организуются на приплотинных водозаборах и используют перепад уровней на плотин для организации течения в рыбоотводящем тракте. На реках с большими продольньїмі уклонами течение в рыбоотводе может создаваться за счет естественного перепада уровнеі в реке между местом отбора воды и створом выхода из рыбоотвода.
В насосных рыбоотводах сконцентрированная в определенной области рыба пере качивается специальным насосом в безопасную зону водоема.
Естественные рыбоотводы используют этологию и преференции рыб.
В гидродинамических рыбоотводах отвод рыбы осуществляется транзитным нсор ганизованным речным потоком.
В поведенческих - отвод рыбы осуществляется путем активизации ее и мотивациі определенных реакций за счет репеллентного воздействия.
Успех применения рыбозащитных сооружений в существенной мере связан і качеством исполнения последнего звена РЗС - рыбоотвода и его оголовка. Имение конструкция оголовка определяет параметры отводимого рыбонасыщенного слоя воды.
Количественной характеристикой питания рыбоотвода, устроенного по принцип; бокового отвода, является ширина полосы водозахвата (Вм) - расстояние поперек поток; от берега до граничной линии тока, отделяющей транзитный поток от отводимого, рыбо насыщенного.
-п-
1*Ыбб0Т8ПДЫ
искусственные
CCI'CCIBCHUUC
самотечные
ІІОІ№Д«ІЧ«КИЄ
гидродинамические
плотинные
іксіїлотиниьк
Рис.З.Классификация рыбоотводов рыбозащитных сооружений
Изучению характера течений и параметров потока у бокового отвода посвящены работы АверкиевА . А.Г., Maкapoв . И.И., Синотшіа- В.И., ОбразовсюопэА.С, Офице-ровэ,. А.С., МА.Михаиева, И.А. Шеренкова,. и ЖА. Игнатовой и др. В качестве устройств, регулирующих структуру потока в области водозахвата, выступают забральная стенка (плоский щит) и порог. Все они дают размеры водозахватных полос в двух уровнях и не позволяют получить интегральную оценку ширины полосы водоотбора. Для оценки количественного влияния данных устройств на структуру потока в месте отбора воды выполнены дополнительные гидравлические лабораторные исследования и получена зависимость ширины полосы водозахвата от определяющих ее параметров - относительного расхода, глубины погружения забральной стенки, высоты порога.
Сбор экспериментального материала осуществлялся по схеме полного факторного эксперимента (ПФЭ). Как правило, фиксировались величины погружения забральной стенки у бокового отвода (S/H), высоты порога на входе в отводной канал (р/Н) и положение точки замера величины Вм на вертикали (z/H). Изменялся в ходе экспериментов относительный расход водозабора (Q»/Qo).
В результате статистической обработки данных более трехсот экспериментов,
проведенных в следующих пределах изменения факторных признаков
0
получена регрессионная зависимость:
Остаточная дисперсия величины В составляет So=0.14, а проверка на адекватность опи сания явления с помощью уравнения (I) по критерию Фишера аоказала, что зависимості эта адекватна эксперименту (F3=377.31 > FTa&i= 1.13). Коэффициент множественной корреляции (Rmu=0.74) указывает на существенную связь между значениями функции отели-ка и факторных признаков.
Данная задача не ограничивается лишь решением проблемы регулирования області питания водозаборов, она кроме того дает возможность определить параметры регули рующих сооружений в голове рыбоотводов рыбозащитных сооружений и таким образо.* эффективно и с меньшими холостыми расходами осуществить отвод молоди рыб, скон центрированной в области питания рыбоотвода, скомпонованного в виде бокового отво да.
На приплотинных водозаборах течение в рыбоотводе может быть организовано пу тем использования перепада уровня воды на гидроузле. При этом основная задача - эф фективное гашение избыточной энергии потока с минимальными издержками для рыбы Рекомендуется устраивать гасители энергии в виде перепадов с уступами с высотой ступе ни не более 0,5 м. Не рекомендуется выпошить сопряжеіше рыбоотвода с водоемом в вид< быстротока, поскольку это снижает выживаемость рыб. На реках со значительным про дольным уклоном также можно обеспечить течение в рыбоотводе самотеком. Однако та кие возможности весьма ограничены, поэтому на практике часто приходится рассматри вать вопрос об искусственном, принудительном рыбоогведении путем установки специ ального рыбобезопасного насоса.
В настоящее время насосов с целевым назначением использования в рыбозащит нет, поэтому находят применение те, в которых гидродинамические процессы в проточної части отвечают требованиям минимального воздействия на защищаемых рыб. Имели ме сто попытки создания центробежных рыбонасосов с малым числом лопастей и понижен ными оборотами колеса (Докукин М.М., Краковский Б.С.), однако на практике они при менсния не нашли. Причиной тому служат два момента: во-первых, перепады давления j них оставались выше допустимых для молоди; во-вторых, происходило травмирован» рыб о внутренние поверхности насосов. Для повышения выживаемости рыб внугренни поверхности колеса и корпуса покрывались ударопоглощающими материалами, однаю гидравлические условия по-прежнему диктуют эффективность транспортировки рыб цен тробежным насосом.
Учитывая большую практическую потребность в обеспечении современных рыбо защитных сооружений (РЗС) эффективными водо-рыбоперекачивающими средствами Тверским государственным техническим университетом (ТГТУ) были проведены ком плексные гидравлико-биологические исследования по пропуску молоди рыб через осевы насосы. При этом основное внимание уделено оценке состояния молоди, прошедшей осе вой насос, и определению выживаемости ее. Часть исследований выполнена в натурны
условиях на погружном капсулыюм электронасосе ОПВ-2500-4,2. Другая часть исследований проведена в гидравшіческон лаборатории ТГТУ на экспериментальной насосной установке.
Анализ полученных материалов показал, что в основном травмирование рыб в осевом насосе имеет механический характер, который и предопределяет направление усовершенствования его - снижение числа оборотов рабочего колеса, уменьшение угла установки лопастей, удаление вьшравляющего аппарата. При правильном выборе режима работы и конструкции насоса общая выживаемость рыб может достигать 95-99%.
Имея целью настоящей работы разработку и обоснование способов и сооружений для защиты рыб на крупных водозаборах, отметим, что конструкция и параметры элементов рыбоотводов, рассмотренные и полученные в данной главе могут быть равновероятно использованы как на самостоятельных рыбозащитных сооружениях, так и на комплексных.
В четвертой главе приводятся компоновочные схемы комплексных РЗС с поэтапной защитой рыб и методики расчета их эффективности, приводится обоснование технических и технологических параметров элементов рыбозащитных сооружений.
На рисунках 4-7 представлены основные схемы поэтапной защиты рыб с использованием сетчатого РЗС и без него.
В первом сооружении на входе в подводящий канал водозабора до створа расположения сетчатого РЗС (рис.4) устанавливается в продолжении береговой линии русла водотока наплавная запань с глубиной погружения юбки ниже границы рыбонасыщешюй зоны потока по ранней молоди рыб.
Второе сооружение предполагает использование в трассе подводящего каната водозабора естественного поворота русла как генератора поперечной циркуляции(рис.5) и сетчатого РЗС.
Третье сооружение предполагает наличие в трассе подводящего канала водозабора естественной излучины и размещение на входе в него порога, препятствующего заходу донных видов рыб (рис.6). Ранняя же молодь, попав в зону действия излучины, концентрируется вторичными винтовыми течениями вдоль вогнутого берега русла, где устроен вход в рыбоотвод.
Четвертое сооружение включает техническое решение, заменяющее собой поворот потока и использующее поперечную циркуляцию для сосредоточения ранней молоди рыб в нужной области водотока(рис.7). В качестве генератора вторичных течений здесь используются доипые струенаправляющие щиты.
Анализ публикаций по поведеншо рыб в зоне действия сетчатого РЗС показывает, что гарантированная защита обеспечена молоди, находящейся в области потока шириной (рис.8):
Bp3=Bp!,i6+3xLepxcosa:, (2)
где Врыо- ширина рыбоотвода; LaP- длина броска рыбы по нормали к сетке после контакта с ней; ос- угол установки сетки к потоку.
Lnp=3xLePxctgGC (3)
Рис.4. Поэтапная рыбозащита на основе струеотсекатеяя типа запани и сетчатого РЗС
1-водоем; 2-подводящий канал; 3-насосная станция; 4-запань: 5-понтон; 6-рыбоотвод; 7-сетчатое РЗС; 8-граница рыбонасыщгнной зоны потока
Рис.5. Поэтапная рыбозащита на основе излучины и сетчатого РЗС
1-траектория перемещения поверхностной рыбы; 2-излучина подзодящего канала; 3-оголовок рыбоотвода; 4-сетчатое РЗС;5-насосная станция; б-вошугый берег; 7-рыбоотвод
Рис.б.Поэтапная рыбозащита на основе излучины и струеотклоняющего порога
1-порог; 2-излучина; 3-подводящий канал;
4-насосная станция; 5-траектория
перемещения поверхностной рыбы; 6-рыбоотвод
Рис.7. Поэтапная рыбозащита на основе струеоталоняющих щитов и сетчатого РЗС
1-траектория перемещения поверхностной рыбы; 2-донные струеотклоняющие щиты; 3-подводящнй канал; 4-сстчатое РЗС; S-насосная станция; 6-рыбоотвод
В целом же эффективность защиты рыб сеткой зависит от размеров зоны Врз и определяется зависимостью
граница
Tptmopu ркбы
Рис.8. Схема взаимодействия рыбы с сетчатой преградой
jcb(x)dx
(4)
в»
активности e J cb(x)dx-количество рыб в
Jc„(x)dx
зоне рыбозащитной активности
сетки;
J cb (x)dx -количество рыб,
подошедших к сооружению; сь(х)-функция распределения концентраций рыб по ширине водотока; Bk-средняя щиріша русла на
подходе к РЗС.
При равномерном распределении рыб по ширине подходного потока (ct,(x)=const):
в„ь,б +3-L„p-cosa
Эрз "В.
В.
(5)
Эффективность защиты рыб на повороте(рис.9):
в„ н,,
J jc(x,z)dxdz
(6)
о о
' В Н '
J J с (x,z)dxdz
здесь в числителе дроби количество рыбы в рыбопасъпценной области потока у вогнутого берега русла, а в знаменателе общее количество рыб, проходящих через створ рабоотвода.
Рпс.9. Схема переноса покатных рыб потоком на повороте открытого русла
Сопоставление эффективности работы сетчатого РЗС и устройства, основанного на использовании поперечной циркуляции потока, показало, что каждое из них имеет свой диапазон защищаемых размерных групп рыб - сетка защищает молодь более 25 мм, а поворот - рыбу до 35мм. Совместное применение их позволяет снизить напряженность в работе сет-
чатого РЗС и снять недостатки в эксплуатации поворота. Общая эффективность рыбоза-щитного комплекса определится как
3^, = (3,+(1-3^3^100,%. (7)
где Э, -рыбозащитная эффективность первого РЗС в долях от единицы; Э2 - тоже второго РЗС.
При этом первым по порядку стоит участок поворота - бесконтактное устройство, защищающее менее жизнестойкую рыбу, а вторым - сетка с рыбоотводом.
Для определения рыбозащитной способности сетчатого рыбозащитного сооружения и поиска путей оптимизации использования построенных сооружений в ТГТУ проведены подробные гидравлшео-биологаческие исследования.
Полученный в результате экспериментальных исследований материал показал, что плоская сетка, установленная под углом к потоку, в состоянии защитить с эффективностью не ниже 80% молодь рыб размером от 25 ми и выше днем и от 30 мм - ночью. Ранняя же молодь данным устройством не защищается. Повысить эффективность сетчатого РЗС по ранней молоди возможно двумя способами:
во-первых, снизив скорости фильтрации воды через него в целом, или на отдельных участках;
во-вторых, ограничив подход к сооружению ранней молоди рыб, обеспечив предварительный принудительный отвод ее в безопасную область водоема.
Снижение скоростей фильтрации возможно лишь до определенных пределов, поскольку это вызывает удорожание сооружения за счет увеличения его размеров. Ограничить же подход ранней молоди рыб к сетке считаем возможным либо путем регулирования потока у сетки, как это имеет место в предложениях ТГТУ (а.с.№№1638245,1703785,1738907), либо путем включения в состав рыбозащитного комплекса наряду с сеткой дополнительного РЗС, ориентированного преимущественно на защиту ранней молоди рыб. Среди таких устройств выделяются РЗС, основанные на использовании метода поперечной циркуляции. Обоснованию этого способа посвящены публикации Павлова Д.С., Барекяна А.Ш., Большова A.M., Малеванчика Б.С., Лупандіша А.И., Ршганского И.И. Основой эффективного использования участков поворота русла является знание о структуре течений на излучинах и использование их для управления распределением рыб. Для расчета скоростей поперечной циркулиции предложен ряд зависимостей, в т.ч. Жуковского Н.Е., Потапова М.В., Российского К.И., Маккавеева М.В., Караушева А.В., Розовского И.Л. и др., полученных путем совместного решения упрощенного уравнения движения в дифференциальной форме и зависимости для распределения продольной скорости по вертикали. По результатам экспериментальных исследований гидродинамики на участках поворота искусственных и естественных водотоков нами сформулированы граничные условия и получена уточненная зависимость для определения продольной скорости на оси поворота русла, позволившие в общем виде решить уравнение В.М.Маккавеева относительно поперечной составляющей скорости течения в виде:
(8)
Р(л-0,5)-Ь0
R l[p(n-0,5)-h0]2 12
здесь h0 и p - функции глубины, средней скорости, радиуса кривизны поворота, коэффициента Шези.
h0 =1,644 + 0,022(32 p=f(R,Vc,„VcP,H,N).
n - относительная глубина воды;
Темпы переконцентрации рыб по ширине русла определяются интенсивностью поперечной циркуляции, характеризуемой отношением поперечной составляющей (Vr) скорости К ПРОДОЛЬНОЙ (Vg).
Интенсивность вторичных течений по длине излучины определяется по зависимости:
^.-5,3,х^х ' 12-^(л-0.5)-ЬэГ (9)
уш V НС [[p^-o^-h,] 12і JJ
Створ расположения оголовка рыбоотвода соответствует месту максимального приближения граничной траектории ската рыб к вогнутому берегу русла. Траектория ската пассивных рыб по излучине определяется с достаточной степенью точности по зависимости:
AR, V
здесь ДК, и ЛЬ,- соответственно радиальное и продольное приращения координат перемещения объекта по излучине.
Участок поворота может быть заменен любой иной системой генерации поперечной циркуляции, например, струсформиругощими щитами конструкции М.В. Потапова. Впервые плоские струеформирукшше щиты были предложены С.С. Лелявским для борьбы с наносами и осуществления активного руслоформирования. В целях рыбозащиты данное устройство исследовалось Павловым Д.С., Бареюшом А.Ш., Рипготским И.И. и автором настоящей работы.
В работе приводятся рекомендации по определению координаты створа размещения оголовка рыбоотвода ниже системы донных струеформирующих щитов и компоновочная схема с использованием их в составе многоступенчатой рыбозащиты. Полученные зависимости имеют вид:
1) при Ьщ/Вл=0,9 1^,=0,191-0,0801 + 0,0072^1 (R=0,71;SE=0,029);
Вр=2,68 - 0,002V2- 0,00016а5'2 (R=0,68; SE=0,17);
2)приЬщ/Вл=1,5 Lp=0,34 +0,01V"1-0,02а (R=0,90; SE=0,026);
Вр=1,92- 0,104V1 +0,056а (R=0,88; SE=0,211).
Здесь Lp- расстояние по течению от оси решетки из донных щитов до створа максимального приближения крайней линии тока к берегу; ВР- ширина рыбонасыщенной зоны потока. Анализ полученных результатов показал, что в обоих слутях, т.е. при Ьщ/Вл=0,9 и Ьщ/Вл= 1,5, ширина рыбонасыщеиного слоя потока уменьшается при увеличении средней скорости (VcP) з пределах 0,06мУс<=Уср<=0,35м/с, а при дальнейшем увеличении скорости течения ширина Вр увеличивается. Одновременно расстояние от створа установки щитов до места максимального приближения граничной линии тока к берегу уменьшается
с увеличением угла установки щитов и увеличивается с ростом средней скорости до 0,25...0,30 м/с, а при дальнейшем росте Vcp величина Lp практически не изменяется.
Пятая глава посвящена апробации поэтапной рыбозащиты на подводящем канале Марышо-Чебургольской оросительной системы (МЧОС) в Краснодарском крае.
Анализ перераспределения покатных мигрантов на излучине подводящего канала МЧОС показал, что здесь имеет место преобладание поверхностной ранней молоди рыб, которая концентрируется вторичными винтовыми течениями в узкой прибрежной зоне в районе выхода потока из поворота.
На основании комплекса исследований была разработана и реализована схема поэтапной защиты рыб (а.с.Ш209759,№ПМ-2823,№ПМ-3608). При этом в дополнение к существующему сетчатому устройству использован участок поворота подводящего канала, где на вогнутом берегу устроен дополнительный самотечный рыбоотвод. Испытания комплексного РЗС конструкции ТГТУ, проведенные ЗАО " ПО Совинтервод" (Рипинский И.И.), показали высокую его эффективность по ранней молоди рыб (78%).
В целом следует отметить, что поэтапная защита рыб с генератором попереччой циркуляции имеет смысл там, где есть возможность использовать естественные плановые изгибы русла, либо позволяют геоморфологические условия инициировать интенсивные поперечные течения. В ином случае следует применять комбинированные сооружения, состоящие из единообразных модулей или из различных устройств, объединенных в рыбо-защитный комплекс и расположенные на компактной площадке.
В шестой главе работы дается обоснование использования отдельных, зарекомендовавших себя, рыбозашнтных элементов в составе комбинированных РЗС, а также приводятся некоторые из разработанных в Тверском государственном техническом университете схемы компоновки комплексных сооружений с использованием этих элементов.
Рассмотрены два основных направления в создании комбинированных сооружений: из различных самостоятельных устройств и путем агрегатирования из унифицированных модулей, проверенных на малых и средних водозаборах.
В последнее время проектными, рыбохозяйственными и исследовательскими организациями, водопользователями, имеющими водозаборы, проявляется повышенный интерес к воздушной завесе, как рыбозащитному сооружению. В основу использования воздушных завес (ВЗ) для защиты молоди рыб положены два принципа действия - физический и поведенческий. Поведенческий режим работы ВЗ основан на реакции отпугивания рыб и отхода их от непрерывной воздушной "стенки", создаваемой воздушной завесой (Кузнецов Ю.А., Павлов Д.С., Пахоруков A.M., Эрслер А.Л., Курагина Г.Н., Образовский А.С., Фильчагов Л.П.). Общее мнение специалистов состоит в том, что максимальный эффект защиты рыб наблюдается при условии восприятия ими завесы как "сплошной стенки". Вместе с тем, как показывают результаты исследований (Эрслер А.Л., Дарков А.А. и др.) наилучший эффект использования воздушной завесы наблюдается при интенсивной подаче воздуха и организации мощных восходящих к поверхности течений (Фильчагов Л.П.). При этом рыба попавшая в область вертикальных токов принудительно выносится к поверхности воды и далее вместе с потоком отводится ниже области питания водозабора.
Приігудитеїгшое перемещение пассивно скатывающихся рыб в области действия ВВЗ определяется двумя составляющими скорости потока - вертикальной ("эрлифтный эффект") и горизонтальной (подходная к водозабору). Вынос рыб к поверхности возможен при скорости "эрлифтного" потока выше подходной скорости. Поскольку регулирование вертикальных восходящих скоростей в открытых потоках практически невозможно ввиду специфики процесса истечение воздуха в воду, когда выходящие из перфорации пузырьки на коротком отрезке пути теряют скорость всплытия вплоть до уровня скоростей витания, то оптимального соотношения двух составляющих следует достигать путем изменения подходных (сносящих) скоростей течения. Регулирование параметров плоской водовоздушной сгруи осуществляется на основе предварительного гидравлического расчета и определения геометрических размеров элементов, отвечающих за рыбозаградитель-ную способность сооружения. Основной элемент РЗС в виде водовоздушной завесы - перфорированный трубопровод, уложенный на дне водоема и соединенный с воздуходувной машиной, гидравлический расчет которого - ключевая задача этапа обоснования конструктивных параметров РЗС. Движение газа в перфорированном трубопроводе с одновременным истечением под уровень золы относится случаю течения с переменным расходом по пути. Основные решения, полученные на сегодня (Бородкин Б.С., Шульгин Д.Ф.,Яблонский В.С.,Плакида М.Э., Крамаровская И.И. и др.) сводятся к разрешению относительно того или иного параметра известного дифференциального одноразмерного уравнения неравномерного установившегося движения.
В работе в гидравлической постановке решена задача о равномерной раздаче газа через перфорации трубы при изотермическом истечении его под уровень воды с учетом потерь напора на трение и в местных сопротивлениях.
В практике гидравлического расчета перфорированных груб может встретиться два характерных случая:
при заданном расстоянии между отверстиями определить их диаметры;
при известных диаметрах отверстий найти расстояния между ними.
Введены следующие обозначения: D-внутренний диаметр трубы; di,i,qi-соответственно диаметр, площадь сечения и расход і-го отверстия; VbQi-схорость и расход потока в трубе; р-давление в і-том сечении; рн- давление газа снаружи трубы; у и ун- удельный вес газа в трубопроводе и снаружи; L-длина трубы; k-число отверстий; N- тоже на единицу длины.
В результате ряда преобразований и с учетом некоторых допущений для расчета давления в различных сечениях по длине трубы получена следующее уравнение:
p2-dp-n-(L-x)2 -dp-2-n-p-(L-x)-dx + 2-m-p-n-(L-x)2-dx + ^-^ = 0 (il)
Характер распределения давления газа по длине трубопровода ищется путем решения (11) методом итераций на ПЭВМ после записи его в конечно-разностном виде:
l-(L-^N<+*f
Pri2-n-(L--)
(12) = Р?-Рм -n-Ры -(L-—)2-p,+n-p,-(L-—)2
где принято dx=l/N, x=i/N.
Затем определяются диаметры отверстий. Для изотермического процесса (без учета потерь давления):
d.. і "» . с*
|k...^.,.b..0-lnb.,
С помощью последней зависимости можно определить диаметры отверстий перфорации при заданных начальных параметрах газового потока.
Как отмечалось выше, второй способ сохранения постоянства раздачи воздуха по пути - это изменение расстояішя между отверстиями при их постоянном диаметре. В этом случае также изменяется сквозноегь перфорированного участка трубопровода по длине.
Порядок расчета подобен описанному и сводится к определению расстояний (N) между отверстиями по рассчитанным величинам давлений в каждом конкретно взятом створе:
N,- 1 < (И)
где ц-коэффициент расхода отверстия.
Эффективность устройства, основанного на использований ВВЗ, по защите рыб связывается с транспортирующей способностью восходящего водовоздушного потока и гидравлическими условиями взаимодействия его с регулирующими и отводящими сооружениями. В связи с этим одной из важных задач гидравлического расчета РЗС в целом является определение траектории восходящей водовоздушной струи в сносящем ее потоке. Обзор и анализ публикаций по данному вопросу показал, что истечение газа в жидкость со провождастся образованием пузырьков воздуха, которые, за искліочешіем короткогс начального участка, всплывают под действием лишь собственной подъемной силь (Лейбензон Л.С, Повх И.Л., Протодьяконоз И.О., Люблинская И.Е., Кутателадзе С.С. Стырикович М.А.).
В работе предпринят полуэмпирический подход к получению зависимости координаты оси восходящей струи по глубине при различных режимах течения водного потока.
Анализ результатов проведенных исследований показал, что зависимость X=f(z/H носит параболический характер и координата точки выхода струи на поверхность теп меньше, чем меньше скорость сносящего потока. Исходя из этого подобрана структур; регрессионной зависимости.
Весь полученный материал обработан статистически на ЭВМ и получена завися мосты
X = 0,16 + 0,42х^г-0,96х10'3х — -6,39x10^ х^-х—+1,25х10"6 х (—)2, (15)
Б v Н v v
которая справедлива в следующих пределах изменения основных параметров:
Н v
о чем свидетельствует высокий коэффициент корреляции R=0,93.
Анализ публикаций но эффективности воздушно-пузырьковой, или водо-воздушной, завесы говорит о недостаточной ее рыбозащитной способности как самостоятельного устройства(Фильчагов Л.П., Малеванчик Б.С., Эрслср А.Л., Павлов Д.С, Пахоруков A.M.). Вместе с тем, в комплексе с другими струенаправляющими и рыбоза-держивающими устройствами она дает хорошие результаты по защите разноразмерных рыб (Павлов Д.С, Пахоруков A.M., Фильчагов Л.П.). Наиболее часто она применялась совместно с зонными ограждениями типа запань, когда на подходе к водозаборному сооружению в подводящем канале поперек потока устанавливается наплавная запань, а перед ней на дне водоема укладывается перфорированный трубопровод, подающий воздух сплошной стеной. В результате взаимодействия вертикального водовоздушного факела и запани создаются гидравлические условия на подходе к водоприемішку, препятствующие проходу молоди рыб. Однако в этом случае затруднен отвод молоди рыб от РЗС, которая не концентрируется в определенной ограниченной зоне потока, а лишь задерживается перед сооружением и накапливается по всему фронту рыбозаградителя, а в результате периодически "прорывается" сквозь РЗС и гибнет в водозаборе.
Основное преимущество запани перед другими устройствами состоит в том, что она не имеет в своем составе фильтрующих элементов, требующих постоянной очистки, вследствие чего обеспечивает непрерывность подачи воды потребителю. Эти устройства успешно предотвращают попадание поверхностной молоди рыб в водозабор за счет размещения входного окна водоприемника в придонном слое. Донная же рыба ими не защищается. В качестве обоснования рыбозащитной способности запани в работе приводятся результаты выполненных натурных исследований рыбозащитных сооружений типа "запань" на водозаборах Тамбовской ТЭЦ (П-образная запань), Тюменской ТЭЦ-1 (запань в виде полуокружности) и Саратовской оросительной системы на р.Иргиз (мягкая, криволинейная в плане запань). В целом полученные материалы подтвердили существенную зависимость функциональной эффективности данного устройства от распределения рыб по вертикали. Учитывая, что рыбы осуществляют постоянные миграции по акватории водоема и в различные жизненные периоды могут расселяться как у поверхности, так и в придонных горизонтах, необходимо рассматривать надежность зонных РЗС, каковым является запань, с позиций максимальной защиты рыб в любую из фаз их жизненного цикла, поэтому, нельзя говорить о высокой их надежности как самостоятельных рыбозащитных сооружений. Вместе с тем удовлетворительная работа запани по защите поверхностной рыбы, которая в скате составляет в отдельные периоды более 80% от общего количества покатных мигрантов, позволяет использовать ее в составе комбинированных РЗС.
В обоснование модульного принципа создания комбинированных рыбозащитных сооружений выполнены анализ опубликованных материалов и экспериметальные исследования по определению оптимальных параметров жалюзийных рыбозащитных сооружений, которые широко исследованы за рубежом и у нас (Bates D.W., Vinsonhaler R., Ruggles С, Ryan P., Ducharme L.J.A., Monan G.E., Pugh J.R., Smith J.R., Фильчагов Л.П., Большое A.M., Павлов Д.С, Синявская В.М., Тюртоков С.Н.). При этом общий подход предыдущих исследователей состоял в том, что жалюзи располагались перпендикулярно
набегающему потоку, а фронт жалюзийной решетки составлял некоторый угол с основным потоком. В вершине этого угла располагался рыбоотвод. Были экспериментально подобраны размеры пластин и расстояний между ними, обеспечивающие максимальный эффект рыбозащиты в конкретных условиях. Вместе с тем, основные результаты получены по крупной молоди. Относительно ранней молоди рекомендаций не приводится. В ТГТУ основным направлением исследований было определение параметров жалюзийного экрана, расположенного параллельно транзитному потоку, и отработка режимов работы устройства по эффективной защите ранней молоди рыб. Отмечается, что молодь рыб избегает зоны потока вдоль экрана, если размер вихрей, образующихся при отрыве потока на конце жалюзиной пластины, соизмерим с поперечным размером рыб. Исходя из этого в состав сооружения введено дополнительное устройство -потокообразователь, поддерживающий постоянную скорость течения вдоль жалюзийного экрана и постоянную "вихревую дорожку". Оптимальный угол встречи пластины жалюзи с потоком составляет 135. Ширина пластин вдвое превышает расстояние между ними. Рекомендуемая скорость на выходе из конически расходящегося насадка потокообразователя составляет 5-8м/с. Количество насадков по вертикали рассчитывается из условия один на каждые 0,5м глубины. При продолжительном фронте жалюзийного экрана выпуски потокообразователя располагаются последовательно на расстоянии 2,5...3,0 м друг от друга. По результатам экспериментальных исследований выполнена проектная проработка унифицированного модуля на расход до 2 м3/с.
В седьмой главе приводятся результаты апробации комбинированных рыбозащит-ньгх сооружений на основе водовоздушной завесы и запани, а также унифицированных модулей из жалюзийных РЗС.
Предложения ТГТУ по применению водовоздушной завесы сводятся к использованию двух базовых модификаций рыбозащитного комплекса: -компоновка ВВЗ перед запанью (рис.10); -компоновка ВВЗ в шахте водоприемника (рис. 11).
Рыбозащитное сооружение, выполненное по первой схеме, предназначено для размещения в голове подводящего канала или глубоко врезанного ковша водозабора и работает следующим образом.
Из перфорированного трубопровода, уложенного на дне водоема, через отверстия перфорации с определенной интенсивностью подается воздух. За счет этого формируется вертикальный факел водовоздушной смеси, распадающийся у поверхности воды на два противоположно направленных потока: один - в сторону водозабора, а другой - в сторону реки. Рыба, подошедшая к водозаборному каналу в придонных слоях потока подхватывается вертикальными струями и выносится в поверхностные горизонты воды, а там может оказаться либо в той части потока, которая направляется в сторону реки и транзитным речным потоком переносится ниже по течению от водозабора, либо может попасть в ту часть восходящего водовоздушного потока, которая направляется к водозабору. Второе является нежелательным, и, поэтому в качестве барьера и устройства для перераспределения потоков, на второй ступени рыбозащиты устанавливается наплавная запань, выполняющая роль отражателя. Сама по себе запань успешно задерживает в водоисточнике но-
Рис.10. Комбинированное рыбозащитное сооружение в виде водовоздушной завесы и запани
1-запань; 2-гибкая часть понтонов; 3-груз на гибкой запани; 4-
перфорированный трубопровод; 5-трубопровод подачи теплой
воды; б-якорь; 7-анхер
Рис. 11. Схема рыбозащитного сооружения глубинного водозабора
1-водоем; 2-водозаборньш канал; 3-насосная станция; 4-донный
порог; 5-забральная стенка;
6-перфорированный трубопровод; 7-компрессорная станция
верхностную раннюю молодь рыб, а использование ее для перенаправления поверхностного потока в сторону реки позволяет в комплексе с водовоздушной завесой обеспечить защиту разноразмерной рыбы.
Для подачи сжатого воздуха в перфорированный трубопровод используется воздуходувная машина, способная обеспечить требуемое давление и подачу при всем диапазоне изменения уровней в реке.
Перфорированный трубопровод укладывается на дно реки отверстиями вниз и в плане под углом к запани, что позволяет создать за счет перепада уровней но длине запани продольное течение, выносящее молодь рыб вниз по течению основного потока.
Наплавная запань представляет собой плоский щит с ребрами жесткости, прикрепленный к паре понтонов так, что вся конструкция свободно перемещается в вертикальной плоскости, т.е. следует за уровнем воды в водоеме. Автоматическое удержание наплавной запани в створе входа в водозаборный канал осуществляется за счет установки понтонов в направляющих, выполненных в береговых устоях, либо, при альтернативной конструкции запани - с "мягким" примыканием запани к берегам канала - с помощью завозней, лебедок и системы тросов.
Рыбозащитные сооружения в виде комбинации водовоздушной завесы и запани (а.с. №1731897, п.р. по заявке№ 96123686/20) внедрены на водозаборных сооружениях Каширской ГРЭС-4, Новополоцкой ТЭЦ.
На водозаборе Каширской ГРЭС-4 стадии проектирования предшествовали двухгодичные гидравлико-биологические исследования как в р.Оке, так и в водозаборном канале береговой насосной станции. Полученные материалы позволили конструкцию РЗС, которая представляет собой комплексное сооружение, состоящее из:
наплавной запани, установленной в продолжении береговой линии р.Оки, соответствующей средним многолетним уровням;
перфорированного трубопровода, уложенного на дне русла со стороны р.Оки перед наплавной запанью и под углом к ней;
воздухоподающего и регулирующего оборудования.
Результаты апробации устройства вынесены в таблицу 1.
Второе из разработанных в ТГТУ комбинированных рыбозащитных сооружений (а.с. № ПМ-2822) предназначено для глубинных водозаборов, имеющих донное расположение водоприемных окон. Исходя из этого, РЗС имеет в своем составе наплавную запань в виде плоского щита, подвешенного на понтоне. В дополнение к ней - донный П-образный порог с фиксированной олметкрй_его гребня. Эффективная работа этих двух элементов устройства по защите рыб от попадания в водозабор зависит не только от взаимного расположения порога и запани, их формы, но и гидравлики потока перед устройством. Для организации принудительного рыбоотведения в данном случае применяется водовоздушная завеса (ВВЗ), образованная пузырьками воздуха, исходящими из перфорированного трубопровода, уложенного на специальные опоры в "шахте" между гребнет донного порога и запанью. Вся энергия вертикальной воздушной струи тратится на созда ние восходящих токов воды и отгонных течений. При этом водовоздушная завеса выпол няет и ролі» преграды (фильтра) и роль эрлифта, переводящего рыбу из нижних слоев ї
Основные результаты апробации комплексных РЗУ
Показатель
функциональной
эффективности, Э
Организация,
участвовавшая в
определении
эффективности
верхние, где происходит вынос молоди рыб за пределы зоны влияния водозабора. Кром того, активный выход молоди рыб из водозаборной "шахты" - есть проявление рыбам] естественной барореакции в виде вертикальных компенсаторных перемещений н; привычный горизонт обитания.
Рыбозащитное устройство работает следующим образом. Порог задерживает водоеме донную рыбу и обеспечивает поступление в водозабор воды из слоя толщиної около 3,5м. При этом поверхностная рыба, попадая в зону вертикальных нисходящи течений ощущает барический дискомфорт и проявляет реакцию избегания, поднимаяс вверх. Здесь она подхватывается восходящими струями водрвоздушной завесы і выносится из области питания водозабора.
Энергия растекания факела вертикальных токов в данном устройстве одноврсмент используется для создания гидравлического барьера на пути ранней молоди водоприемнику. При этом толщина слоя обратных токов при проектной подач воздуходувной машины на расстоянии 30 м от оголовка водоприемника составит не мене 1,0 м. Данное сооружение установлено и успешно работаег на водозаборе Калининград ской ГРЭС-2. Результаты апробации устройства вынесены в таблицу 1.
Унифицированный жалюзийный модуль разработан первоначально для водозабор, со средней производительностью.
Конструкция РЗС использует в качестве рыбо- и сорозащитного устройства жалю зийную решетку, омываемую гидравлическими струями, создающими область гидравличе ских возмущений и дискомфортных условий для рыб. Как показали проведенные лабора торные исследования эффективность жалюзийной решетки тем выше, чем болыл отношение продольной транзитной скорости к скорости всасывания.
Рыбозащитное устройство работает следующим образом. Жалюзийный экран уста навливается параллельно транзитному потоку так, что набегающие струи воды встреча ются со стержнями решетки под тупым углом. Отражаясь от стержней, часть расхода струї направляется в водозабор, а вторая часть возвращается в русло под углом к основному те чению. Вследствие этого вдоль экрана образуется зона вихревых турбулентных течениГ являющихся раздражителем для рыб. Такое расположение водоприемного окна с жалю зийной решеткой отвечает схеме питания бокового водозабора (А.С. Офицеров, А.С. Об разовский, А.Г. Аверкиев и др.). Вместе с тем, режим течения в реке изменяется в течени года, а стало быть изменяются и условия обтекания стержней решетки. Для сохранени скоростей набегания потока и повышения отводящего и отпугивающего эффекта жалю зийяого экрана он снабжается гидравлическим омывателем. Выходящие из насадко струеформирователя струи создают зону увеличенных скоростей транзитного течения : образуют на границе зоны повышенной турбулентности слой сверхкритических скоросте? которые рыбы не могут преодолеть и выносятся на стрежень потока. Таким образом, гвд равлическая завеса дополнительно выполняет роль экрана, отделяющего оголовок воде забора от руслового потока. Унифицированный жалюзийный модуль прошел апробацш на водозаборе Смоленских тепловых сетей из р.Днепр. Рыбозащитное устройство пре приятия "Смоленсктеплосеть" установлено перед фронтом водозабора и состоит из елс дующих элементов:
металлического корпуса, оборудованного направляющими для установки в пазы окон водозабора;
жалюзийной решетки, вставляемой в специальные пазы корпуса РЗС и состоящей из плоских металлических пластин, расположенных под тупым углом к потоку;
струеформирователя, представляющего собой вертикальную трубу с соплами.
Учитывая, что по фронту водозабора имеется три водоприемных окна, работающих поочередно, появляется возможность объединить их в одну всасывающую камеру и устроить водоприемное окно большей площади, чем существующие размеры окон, и снизить скорости всасывания.
Ихтиологические натурные исследования, проведенные у БНС на р.Днепре, показали, что максимальные концентрации рыб в реке и количество рыб в пробах отмечается в ночное время в мае-июне -0,05...0,07 экз/м3. Во второй половине июля и в августе, количество рыб в уловах и концентрации уменьшаются до 0,01 ...0,03 экз/м3.
Испытания комбинированного РЗС на предмет определения его функциональной эффективности показали высокий результат. Свыше 90% молоди рыб, обитающей в р.Днепре у водозабора успешно защищались жалюзийным РЗС. Результаты апробации устройства вынесены в таблицу 1. По результатам внедрения жалюзийного РЗС на водозаборе Смоленских тепловых сетей были сделаны выводы о возможном агрегатировании из подобных устройств, как из модулей, рыбозащитных сооружений для крупных водозаборов. Эта идея нашла свое воплощение в проекте рыбозащитного сооружения для Тюменской ТЭЦ-1.
Водозабор Тюменской ТЭЦ-1 представляет собой береговую насосную станцию с водозаборным фронтом, расположенным параллельно транзитному потоку р.Туры. Объем водопотребления составляет Q=11m3/c. По фронту насосной станции расположено 10 водоприемных окон.
Анализ ихтиологического материала показывает, что в водозабор попадает в основном ранняя молодь рыб, обитающая у поверхности потока и скатывающаяся вдоль правого берега русла. Гидравлические условия в области питания водозабора способствуют отводу рыб вши по течению р.Туры.
Каждое окно насосной станции оборудовано собственным рыбозащитным устройством, а насосная станция в целом - рыбозащитным сооружением из унифицированных модулей. Результаты апробации устройства вынесены в таблицу 1.
В целом апробация комплексных рыбозащитных сооружений, выполненных по рекомендациям ТГТУ и на основании обосновывающих материалов автора, может быть признана положительной, а разработанный подход к защите рыб на крупных водозаборах перспективным.
Выполненные исследования позволили сформулировать и обосновать научные положения, совокупность которых может быть классифицирована как решение научной проблемы, имеющей важное значение в цепи мероприятий по управлению охраной рыб во внутренних водоемах путем создания специальных гидротехішческих сооружений для
крупных водозаборов, по результатам исследования и апробавдш которых сделаны следующие выводы:
1. Современные тенденции в рыбозащите на крупных водозаборах состоят в:
комплексном подходе к структуре мероприятий и сооружений по предотвращению гибели молоди рыб при водозаборе, когда в качестве рыбозащитного сооружения выступает комплекс из двух или более разнотипных устройств.
создании унифицированных модульных конструкций, основанных на применении в качестве базовых модулей уже опробованных на малых и средний водозаборах устройств и агрегатировании из них РЗС для крупных водозаборов;
-
Сформулирована основная концепция рыбозащиты, которая состоит в использовании системного подхода к оценке ситуации, поиску путей и методов решения возникших проблем, совершенствованию научно-методического и нормативно-технического обеспечения с целью сохранения видового разнообразия и поддержания естественного воспроизводства рыб во внутренних водоемах. В качестве основных компонент общесистемного подхода выделяются ихтиологическая и гидравлическая компоненты, определяющие выбор методов и средств рыбозащиты.
-
Сформулированы основные категории рыбозащиты. В качестве основных принципов проблемы выделены:
объект защиты - молодь рыб, обладающая на различных стадиях развития сформировавшимися внешними, внутренними и поведенческими признаками;
обращение с объектом защиты - рыбой на различных стадиях онтогенеза - как с живым организмом:
обеспечение жизнеспособности и выживаемости рыб в результате взаимодействия их с рыбозащитньш устройством;
примените знаний о морфологии, физиологии и реакциях рыб для регулирования и управления их поведением;
использование знаний о среде обитания рыб, способах управления ее структурой и физических факторах воздействия.
Эти основные принципы реализованы в способах или методах рыбозащиты:
этолого-преферентный способ основан на использовании закономерностей, связанных с образом жизни рыб, их естественным поведением и особенностями выбора мест и условий обитания;
поведенческий способ базируется на использовании вынужденных поведенческих реакций рыб для предотвращения их гибели на водозаборе;
физический способ опирается на физические факторы воздействия на рыб через изменение структуры среды обитания, либо с использованием ее в качестве проводника, и учет реакций их на физические раздражители.
комбинированный способ, предполагающий одновремешюе применение различных способов.
4. Разработаны новые классификации рыбозащитных сооружений: общая и частные - по производительности водозабора и по способу защиты рыб. Общая классификация включает в себя разделение РЗС:
по виду водоисточника - на речные и водохранилищные;
по категории надежности - на три категории(1, 2,3);
по компоновке основных элементов - на совмещенные с водоприемником водозабора и раздельные (расположенные на подходе к водозабору);
по сроку эксплуатации - на временные и постоянные;
по производительности водозабора - на РЗС для малых (расход менее 1 м3/с), средних (от 1 до 6 м-7с) и крупных (больше 6 м3/с) водозаборов;
по наличию системы рыбоотведения на РЗС срыбоотводом и без него;
по способу защиты рыб на фильтрационные, зонные ограждения, гидромеханические,
поведенческие и комплексные.
Классификация РЗС по производительности водозабора, на котором оно расположено позволяет практикам ориентироваться в выборе типа сооружения и объеме капвложений в разработку и изготовление РЗС.
Классификация рыбозащитных сооружений по способу защиты рыб носит научный характер и важна для планирования мероприятий и методов решения проблемы.
5. Выполнена классификация рыбоотводов рыбозащитных сооружений.
Предложена конструкция оголовка рыбоотвода (а.с. N1209750), учитывающая изменение интенсивности вторичных течений при колебании уровня в водотоке на участке его поворота.
Получена зависимость для расчета параметров отводимого потока, позволяющая регулировать размеры области питаїпія рыбоотвода и тем самым оптимизировать сбросной расход.
В качестве устройства для создания тока в рыбоотводе предлагается использовать осевой насос с пониженным числом оборотов (не более 700 об./мин.) и без выправляющего аппарата. В таком случае выживаемость рыб, прошедших сквозь насос составит 95...99%.
6. На базе экшеримешгалышх лабораторных и натурных исследований, а также в
процессе анализа и обсуждения технических решений, разработан ряд оригинальных ком
плексных рыбозащитных сооружений и их элементов, составивших предмет изобретений
(а.с. N1731897, а.с. N1738907, а.с. N1772310, а.с. N1638245, патент N2004680 ) и основу на
стоящей работы. Разработан подход к защите рыб на крупных водозаборах, состоящий в
поэтапной защите и отводе молоди определенных видов и размеров.
7. Определена рыбозащитная способность сетчатого рыбозащитного сооружения.
Получено, что сетчатое РЗС, рекомендуемое строительными нормами для крупных
водозаборов, в состоянии защитить не менее 80% рыб размером от 25 мм и выше, а ранняя молодь размером от 12 мм до 25 мм этим устройством не защищается. На основе опубликованных ихтиологических данных разработана методика определения эффективности сетчатого РЗС.
8. Предложены компоновочные схемы и методы расчета их элементов по перспек
тивным РЗС с поэтапной зашитой рыб, состоящим из генератора поперечной циркуляции
и сетчатого устройства. В качестве продуктора вторичных винтовых течений используется
участок поворота открытого русла - излучина, либо система струеформируюших щитов
конструкции М.В. Потапова.
Получена зависимость для определения интенсивности поперечной циркуляции на повороте открытого русла, с помощью которой можно с большей точностью определить местоположение створа максимальной концентрации рыб у вогнутого берега русла.
В результате лабораторных экспериментальных исследований получены полуэмпирические зависимости для определения координаты створа размещения оголовка рыбоот-вода за системой струеформирующих щитов и ширины рыбонасыщенной зоны потока.
9. На основе анализа рыбозащитной способности сетчатого РЗС и участка поворота
открытого русла разработана методика прогноза эффективности поэтапной рыбозащиты.
Результаты экспериментальных и теоретических исследований использованы при разработке проекта реконструкции рыбозащитных сооружений Марьяно-Чебургольской оросительной системы. Комплексное РЗС конструкции ТГТУ введено в эксплуатацию и имеет эффективность 78% по молоди рыб размером от 12мм и выше.
10. Для условий компактно размещенных крупных водозаборов предложены конст
рукции комплексных рыбозащитных сооружений, состоящих из водо-воздушной завесы и
запани. Получены зависимости для определения диаметра отверстий перфорированного
трубопровода, уложенного на дне водоема, из условия достижения максимального рыбо-
зашитного эффекта.
В результате натурных экспериментальных исследований обоснована рыбозащит-ная способность водовоздушной завесы и запани, как элементов комплексных РЗС. Эффективность работы ВВЗ зависит от интенсивности подачи воздуха и скорости сносящего потока. С помощью полученной зависимости для определения координат оси восходящей водовоздушной плоской струи в сносящем водном потоке устанавливается взаимное плановое расположение оси перфорированного трубопровода и оси наплавной запани.
Апробация данного РЗС осуществлена на водозаборе Каширской ГРЭС-4 АО Мосэнерго, Новополоцкой ТЭЦ (Республика Беларусь). Результаты испытаний устройства на водозаборе Каширской ГРЭС-4 показали, что эффективность его в среднем за сезон активного ската рыб превышает 80% по ранней молоди и 75% по всем видам и размерам при 90% обеспеченности. Столь высокий результат позволил рекомендовать сооружение для повторного использования на водозаборе-аналоге Новочеркасской ГРЭС практически без существенных изменении.
Для условий существенных колебаний уровня в водоисточнике предложена конструкция рыбозащитиого сооружения типа "ВВЗ+запань", в которой предусмотрены наклонные направляющие пазы в береговых устоях, регулирующие взаимное расположение элементов конструкции.
П. В целом разработанный подход к оборудованию крупных водозаборов комплексными рыбозащитными сооружениями показал, что совместное использование ограниченных в применении, но достаточно эффективных в определенных условиях устройств, оправдан. При этом критерием оценки качества принятого технического решения служит экономический и экологический эффект.
12. Результаты работы используются студентами при выполнении курсовых и дипломных работ (спецкурс) по специальностям "Гидротехническое строительство" и "Комплексное использование и охрана водных ресурсов".
-
Гидравлическое обоснование параметров фильтрующих экранов для защиты разноразмерных рыб.
-
Поиск путей решения задачи защиты рыб на водозаборах, расположенных в непроточных водоемах.
-
Дальнейшее пополнение базы данных о поведении и реакциях рыб, способах мотивации этих реакций.
-
Совершенствование методов гидравлического расчета элементов комплексных РЗС.
-
Совершенствование нормативной базы проблемы.
