Введение к работе
Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки и внедрения в практику проектирования водозаборных сооружений инфильтрацион-ного типа уточненных методов расчета гидравлических режимов инфильтраци-онных сооружений, учитывающих влияние интенсивности термокольматаци-онных процессов, а так же региональных особенностей формирования гидрав-лико-гидрологических процессов протекающих в речном русле.
В сложных климатических условиях России большинство водоисточников находятся в хорошо сформированных долинах с мощными аллювиальными отложениями, воды которых имеют прямую гидравлическую связь с открытыми потоками, что обеспечивает возможность применения систем водоснабжения инфильтрационного типа, как в районах уже освоенных, так и в зонах освоения. Накопленный опыт эксплуатации данных сооружений показывает, что их производительность в холодное время года существенно снижается до 30-80 % от проектной величины. При длительной и интенсивной эксплуатации данного вида сооружений происходит заиление русловых отложений.
Существующие методы подсчета запасов подземных вод не учитывают сложности и особенности температурных эффектов региональных условий, что ведет к ошибкам в оценке производительности инфильтрационных водозаборов. Решение таких сложных задач аналитическими методами связано с большими трудностями. Следовательно, целесообразно развивать приближенные численные методы. В этой связи задача разработки методов, учитывающих влияние гидротермальных региональных факторов и оптимизации водозаборов подземных вод по экономическим показателям является актуальной.
Основные результаты диссертации получены в ходе выполнения открытых планов научных исследований в области энергоресурсосбережения ООО «Красноярский жилищно-коммунальный комплекс».
Объект исследования - водозаборные сооружения инфильтрационного типа.
Предмет исследования — технологические процессы водозаборных сооружений с учетом сложных теплофизических условий сибирских регионов и их влияния на интенсивность термокольматационных процессов.
Цель диссертационной работы — совершенствование работы инфильтрационных водозаборов и методов расчета их производительности с учетом термокольматационных процессов.
Задачи исследований:
1. Изучить термокольматационные процессы и их влияние на производительность водозаборных сооружений в натурных условиях Красноярска;
-
Разработать математические модели расчета характеристик инфильтра-ционных водозаборов и провести численные эксперименты, выявляющие основные закономерности термокольматационных процессов;
-
Провести натурные и опытные исследования в натурных условиях по определению характеристик инфильтрационных водозаборов и разработать методы определения их основных параметров с учетом функционирования в суровых природно-климатических и сложных экологических условиях;
-
Реализовать рекомендации по проектированию водозаборных сооружений инфильтрационного типа с учетом термокольматационных и гидравлико-гидрологических факторов их эксплуатации.
Научная новизна работы и основные положения, выносимые на защиту:
установлены зависимости расходных характеристик водозаборов инфильтрационного типа от времени и температур: воздуха, речного и подрусло-вого потоков, которые оказывают существенное влияние на параметр производительности водозабора;
разработаны и реализованы математические модели термокольматационных процессов в зоне активного влияния водозаборных сооружений, учитывающие гидрогеотермические, физические и конструктивные параметры водоисточников, в отличие от известных, основанные на учете коэффициента динамической вязкости открытых и русловых потоков;
предложен метод расчета двумерного течения суспензии в пористой среде. В отличие от ранее известных в предлагаемом методе форма границ и неоднородность пористой среды могут задаваться с учетом условий непрерывности их пространственного изменения по коэффициентам фильтрации и проницаемости в широком диапазоне от 10 до 1000 м/сутки;
определены зависимости параметров процессов тепломассообмена и кольматации руслового аллювия от характеристик потока при изменении концентрации взвешенных наносов и температурных полей открытых и подрусло-вых потоков с учетом нестационарной двухмерной фильтрации, что позволяет определять производительность водозаборных сооружений инфильтрационного типа уже на стадии проектирования;
предложен метод расчета оптимальных характеристик инфильтрационных водозаборов, в отличие от существующих, основанный на учете коэффициента динамической вязкости в открытых и русловых потоках в зависимости от времени и температуры.
Практическая ценность результатов состоит в том, что на основании проведенных исследований повышается эффективность (скорость, достовер-
ность и точность) расчётов при проектировании режимов работы водозаборных сооружений инфильтрационного типа. Разработанные алгоритмы и составленные на их основе комплексы программ могут найти широкое применение в проектных и научно-производственных организациях для решения актуальных инженерных задач тепломассообмена и гидрологии инфильтрационных сооружений в нестационарных природно-региональных условиях. Этим создаются предпосылки к проектированию, строительству и эксплуатации экономически обоснованных и надежных систем водоснабжения.
Использование результатов работы. Программы расчетов производительности инфильтрационных водозаборов используются в институтах «Крас-ноярскводоканалпроект», «Красноярскгражданпроект», ОАО «Красноярскгео-логия» и ООО «Красноярский жилищно-коммунальный комплекс» при проектировании водозаборов Восточной Сибири. С помощью разработанного программного продукта выполнены расчеты водоочистных полупромышленных установок в системах оборотного водоснабжения на крупных строительных и промышленных объектах Красноярского края ОАО «Красноярскпромстрой НИИпроект». Результаты исследований использованы в программе курса «Водозаборные сооружения» для студентов специальности «Водоснабжение и во-доотведение» Инженерно-строительного института ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».
Достоверность результатов подтверждена сопоставлением численных и аналитических решений с большим объемом натурных и экспериментальных наблюдений.
Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических, вычислительных и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на Всероссийской НІЖ «Социальные проблемы инженерной экологии, природопользования и ресурсосбережения» (Красноярск, 1998, 1999, 2000, 2002, 2005, 2006, 2007, 2010); I и II Совещаниях руководителей служб инженерного обеспечения Ассоциации сибирских и дальневосточных городов (АСДГ) (Красноярск 1995, Иркутск 1996); Всероссийском семинаре МАГ по проблемам водоснабжения крупных городов (Красноярск 2007).
Личный вклад автора. Автору принадлежат постановка и реализация задач исследований; совместно с научным руководителем - обоснование и формулировка основных положений научной новизны и практической значимости; внедрение результатов совместно со специалистами ООО «Красноярский жилищно-коммунальный комплекс», института «Красноярскгражданпроект» и другими, которым автор выражает глубокую благодарность за помощь в работе.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из которых 2 статьи в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК, 8 - в сборниках научных трудов и материалов Всероссийских научно-технических конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных результатов и выводов и списка использованной литературы из 144 наименований, изложена на 181 страницах, содержит 69 рисунков, 26 таблиц.
