автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Фильтрирующий водоприем как способ рыбозащиты на водозаборных сооружениях коммунального и промышленного водоснабжения

РГ5 01

2 2 дек ш : :

На правах рукописи

Воронина Людмила Владимировна

ИЛЬТРУЮЩИЙ ВОДОПРИЕМ КАК СПОСОБ РЫБОЗАЩИТЫ НА ВОДОЗАБОРНЫХ СООРУЖЕНИЯХ КОММУНАЛЬНОГО И ПРОМЫШЛЕННОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

05.23.04 — водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Авт ореферат

диссертации ira соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза - 2000

Работа выполнена в Пензенской государственной архитектурно-строительной академии и в Астраханском инженерно-строительном институте.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Ю.И.Вдовшг

кандидат технических наук, доцент М. Я. Кордон

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

A.К.Стрелков;

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник

B.З.Мельцер

Ведущая организация — Государственное предприятие —

специализированный научный центр "Госэкомелиовод" (г. Москва)

Защита состоится "22" декабря 2000 г. в 10-00 ч. на заседании специализированного совета К 064.73.02 при Пензенской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: 440028, г. Пенза, ул. Титова, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенской государственной архитектурно-строительной академии.

Автореферат разослан "22" ноября 2000 г.

Ученый секретарь специализированного совета канд. техн. наук, доцент // В.А.Саранцев

/? €62.5,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема повышения эффективности рыбоза-Д!1ты и совершенствования конструкций рыбозащитных устройств кРЗУ) касается 20 тысяч водозаборов систем коммунального и промышленного водоснабжения и является актуальной для всех регионов Рос-:ии. Слабая оснащенность действующих водозаборов РЗУ (в 1990 г. <20%), сложность, громоздкость и малая их эффективность, прекращение финансирования НИР и ОКР по рыбозащите, отсутствие современной нормативно-законодательной базы использования биоресурсов внутренних и территориальных вод при возрастающих объемах изъятия воды, усиление антропогенного воздействия и загрязнения водоемов и др., ухудшили условия воспроизводства рыбных ресурсов, и, как следствие, — в последние 12-15 лет снизили обеспечение населения страны рыбопродукцией в 3-4 раза.

Любой водозабор как головной технологический элемент систем водоснабжения должен бесперебойно отбирать воду, функционируя одновременно как рыбозащшный объект. Главное требование к РЗУ: гарантированный при любых гидрологических условиях пропуск воды заданного качества; эффективная, безопасная для рыб — рыбозащита; надежность действия при эксплуатации; простота конструкции, автоматическое действие, экономичность, соответствие условиям водоисточников и особенностям ихтиофауны. В диссертации принята классификация по способу предотвращения попадания рыб в водозаборы: механические, гидравлические и физиологические.

Оценка состояния, эффективности и тенденций развития РЗУ на водозаборах показали необходимость более широкого использования в качестве средства рыбозащиты технологий фильтрующего водоприема, а в качестве рыбозащитных устройств — фильтрующих элементов водоприемников. В разработку теоретических основ и практику рыбозащиты на водозаборах, совершенствование приемов и конструкций РЗУ большой вклад внесли: Л.Г.Аверкиев, Т.Г.Войнич-Сяноженцкий, В.Н.Ереснов, М.Г.Журба, 'Г.В.Колесникова, Г.М.Кузовлев, Б.С.Мале-

ванчик, В.К.Мауль, Б.З.Мельцер, А.И.Мотинов, И.В.Никоноров, А.С.Образовский, А.И.Пахоруков, В.В.Петрашкевич, А.А.Смирнов, А.К.Стрелков, Б.Ф.Турутин, К.Ф.Хииицкий, В.Н.Шкура и др.

Цель настоящей работы — обоснование целесообразности и условий применения технологий фильтрующего водоприема и фильтрующих элементов водоприемников в качестве рыбозащитных устройств (РЗУ) на водозаборах коммунального и промышленного водоснабжения.

Для достижения этой цели ставились следующие задачи:

— анализ существующих конструкций РЗУ и оценка их технологической и рыбозащигной эффективности;

— создание экспериментальных установок и фрагментов натурных фильтрующих РЗУ и выполнение на них исследований рыбозащиты в лабораториях и в натуре;

— разработка ихтиолого-технологических основ применения фильтров водоприемников, в качестве отгораживающих РЗУ;

— разработка конструкций водоприемников и инженерные расчеты фильтров в качестве РЗУ при водоотборе из различных источников;

— оценка работы фильтров водоприемников с функциями РЗУ при эксплуатации их в различных гидрологических и ихтиологических условиях;

— совершенствование конструкций дренажно-водосборно-промывных систем фильтрующих РЗУ водоприемников;

— повышение безопасного взаимодействия рыб и их молоди с фильтрующими элементами водоприемников;

— ихтиолого-инженерная и экономическая оценка эффективности использования фильтрующего водоприема в качестве РЗУ.

Научная новизна диссертации заключается в:

— оценке причин, механизма и закономерностей вовлечения рыб, их молоди и личинок в водозаборные сооружения;

— определении гидродинамических параметров области питания и геометрических характеристик фильтрующего водоприемника, обеспечивающего эффективную рыбозащиту на речных водозаборах;

— обосновании наиболее целесообразных технологий фильтрующего водоприема и конструкций фильтрующих водоприемно-очистиых сооружений с учетом требований рыбозащиты;

— оценке структуры гидравлических условий безопасного нзаимодей-ствия фильтрующих поверхностей с рыбами и их молодью при во-доотборе;

— определении рациональных пределов управления движением рыб и их молоди в области питания фильтрующих РЗУ с учетом влияния структуры потоков на поседение, условия отхода и травматизма рыб.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

— разработаны рекомендации проектирования новых и реконструкции существующих РЗУ водозаборов на основе фильтрующих рыбоза-щитных элементов водоприемников;

— ранее разработанные и предлагаемые новые конструкции фильтрующих водоприемно-очистиых сооружений обеспечивают повышенную для рыб и их молоди безопасность при рациональном соотношении биологических, гидравлических, технологических параметров водоприема;

— обоснованы выбор мест расположения, типа и конструкций, режимов эксплуатации водоприемников из крупных водоемов, при бесплотинном водоприеме из малых рек с использованием фильтрующих элементов водоприемников в качестве РЗУ;

— разработаны новые конструкции фильтрующих водозаборно-очнстных сооружений с повышенной рыбозащитой.

Практическая реализация разработок. Совместно с НПФ "Эко-гон" в 1999 г. разработаны рекомендации по переоборудованию водоприемных оголовков из р. Лены с открытым водоприемом на фильтрующие рыбозащитные кассеты-панели из керамзита (1 = 20...30 мм толщиной 260 мм, исключающих вовлечение молоди рыб в береговой колодец, чем предотвращен ущерб рыбному хозяйству в 237,73 тыс. руб. (в ценах 1981 г.). Реализовано переоборудование водоприемных оголовков открытого водоприема на фильтры из р. Каи (г. Каиск) совместно с

Сиб. филиалом НИИВОДГЕО. Кассетные РЗУ из июриков пенополн-стирола, размещаемые в сменяемых контейнерах, предотвратят ежегодный ущерб рыбному хозяйству в 203,87 тыс. руб.

К лету 2001 г. обосновывается переоборудование речных затопленных оголовков водозабора Трусовского района г. Астрахани на фильтрующий на основе дренажно-фильтругощих элементов НПФ (г. Белгород, Россия).

Апробация работы. Результаты работы доложены на:

— научно-технических конференциях Астраханского АИСИ (1997...2000 гг.) и Астраханского ГТУ (1997-99 гг.);

— международной конференции "Проблемы русловой гидравлики и гидротехнического строительства", Тбилиси, 2000 г.;

— ХХХ-ой научно-технической и XXXI-ой научно-методической конференциях Пенз. ГАСА (1999, 2000 гг.);

— 6-ти Междунар. научно-технических конференциях по экологии, водному хозяйству, инженерному обеспечению городов в Приволжском Доме Знаний (г. Пенза, 1998...2000 гг.);

— заседаниях Астраханского отделения ЖКА РФ (1998...2000 гг.);

— Ш-ем и IV-ом Междунар. конгрессах "Вода: экология и технология" - Экватек-98 и Экватек-2000 (г. Москва, 1998 и 2000 гг.);

— научно-техническом совете НПФ "Экотон" (г. Белгород, 19992000 гг.);

— совещании по проблеме рыбозащиты в Енисейском бассейне (г. Красноярск-Дивногорск, 2000 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 статей,

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографии 143 наим. и приложений.

Работа изложена на 207 с. машинописного текста, содержит 34 илл., 3 прил.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность принятой темы работы, формулированы цели и задачи исследований.

В первой главе изложены анализ состояния и тенденции развития 3ЗУ на водозаборах коммунального и промышленного водоснабжения. 1риведены сведения по инженерным, технологическим и биологическим )боснованиям рыбозащиты и конструкциям РЗУ. Рассмотрены особен-гости поведения рыб в водоисточниках, причины, механизмы и закономерности попадания рыб и молоди в водозаборы. Выполнена нхтиолого-шжснерная оценка основных типов и конструкций РЗУ на водозаборах, учитывая, что важнейшим показателем поведения рыб, молоди и личи-гок и потоках является реореакция.

Реореакция характеризуется тремя функциональными показателя-чи: пороговые скорости течения, критические скорости течения и плавательная способность рыб. Эти показатели отражают способность рыб к движению и ориентации в заданных условиях. Показатель плавательной зпособности при удовлетворительных условиях ориентации в потоке да-гт возможность представить ту зону скоростей, в пределах которой возможна реореакция. Минимальные скорости потока, при которых возникает реореакция, являются пороговыми (о,юр). При скоростях потока ниже пороговых рыбы передвигаются в различных направлениях независимо от направления течения. Пороговые скорости течения у рыб разных видов и размеров колеблются от десятых долей сантиметров до 0,25 м/с.

Критическая скорость течения (икр) — верхняя граница интервала скоростей, в пределах которого рыбы удерживаются в потоке. Величина иКр для рыб зависит от многих абиотических и биотических факторов (температуры воды, освещенности, мутпосги, содержания О2 в воде, степени турбулизации потока, физиологического состояния, зрелости особей, наличия планктона и др.). Наибольшие значения икр и плавательной способности рыб отмечаются при температуре воды 18°С, снижаясь в 2...3 раза при снижении ее до 2°С.

Для теории и практики водозаборов и РЗУ исключительно важно, что рыба, их молодь и личинки, в отличие от шуги, мусора, планктона, водорослей и др. — единственная их всех внутрпводных объектов обладает собственной скоростью, способна реагировать на изменения среды и занимать определенное положение в водоемах. Скорость рыб, их плавательная способность являются критерием установления наиболее целесообразных конструкций РЗУ, условий их взаимодействия с преградами и безопасных для рыб режимов водоотбора. Общие сведения о характерных и критических величинах скоростей и плавательной способности рыб разных размеров и видов в потоках приведены на рис. 1. Показано влияние конструкций РЗУ на выбор технологий водоприема, мест расположения, тина и конструкций водозаборных сооружений.

Во второй главе дан обзор ранее выполненных исследований и опыт применения РЗУ на основе фильтрующих элементов водозаборов и технологий фильтрующего водоприема. Показана перспективность использования фильтрующих элементов водоприемников в качестве РЗУ водозаборов с конца XIX в. до нашего времени в различных регионах. Рассмотрены особенности поведения рыб и их молоди перед фильтрующими преградами и механизм их рыбозащитного действия. К рыбозащи-те подходить как к защите водозаборов от рыб, рассматриваемых одним из видов мусора, создающего осложнения водоотбору — недопустимо. Неправильно определять эффективность защиты рыб без оценки самого важного для рыбного хозяйства показателя — % выживаемости рыб, задержанных РЗУ. Без этого показателя можно судить о защите от рыб водозаборов, но не о защите рыб на водозаборах.

Рыбы (и молодь) должны рассматриваться как:

— система живых организмов с определенной (для каждого вида) пространственно-временной структурой распределения в среде;

— живые организмы, немедленно отвечающие поведенческими реакциями на раздражители, создаваемыми элементами сооружений;

— физические тела, характеризующиеся дискретностью, определенными размерами, плотностью, прочностью и т.д.

ипл, м/с А

20 Тпл, мня

III

•¿у-

Гпл, мин

42 27

6

4 2 О

20 40 60 80 I, мм

Рис. 1. Графики характерных соотношений скорости ипл и продолжительности Г„л плавания рыб разных видов и размеров А - зависимость опл и Гпл от размеров рыб: 1 - / = 10...25 мм; 2 - I = 20...50 мм; 3 - I - 50...80 мм; Б - кривая соотношения опл и Тлл: I - зона бросковых скоростей; II - зона максимальных скоростей; III - зона крейсерских скоростей; В - зависимость Тал молоди рыб от /: 1 - сазан; 2 - севрюга; 3 - осетр; 4 - белуга; 5 - стерлядь

Из многообразия решений рыбозащиты наиболее перспективны два наиболее экологически обоснованных, технически реальных и простых, экономически целесообразных направления: фильтрующий водоприем и пневмобарьерные комплексы (ПБК). ПБК наиболее полно теоретически и иа практике исследованы д.т.н. Т.В. Колесниковой.

Главными особенностями поведения рыб и их молоди перед фильтрующими РЗУ являются:

1. Наличие свободно формируемого режима взаимодействия рыб (молоди) с забираемым в фильтр расходом и речным потоком; границы зоны питания водоприемных—рыбозащитных фильтров не ограничены жесткими конструкциями без принудительного воздействия на рыб.

2. На поверхностях фильтров возможно создать любые значения иих, в том числе и ивх < исн, когда молодь безопасно входит в зону водо-отбора и выходит из нее. Назначение ивх в фильтр определяется экономической и технологической целесообразностью.

3. У поверхности фильтров формируется структура течений, аналогичная водоворотам за выступами частиц фильтра, особенно при наличии течения иа и больших соотношениях иа/ивх (по теории деления потоков А.С.Образовского).

4. Даже при крупных фильтрах оградительных сооружений (каменная наброска ковшей с < 100 м3/с) нет опасных для молоди рыб ивх.

5. Молодь рыб, даже с /<10 мм, проявляет при малых овх способности реореакции, реакций на препятствие и тактильно-гидравлических оценок раздражителей, в полной мере используя поведенческие и физические принципы защиты.

На рис. 2 показаны предлагаемые технологические схемы фильтрующего водоприема, обеспечивающего повышенную рыбозащиту в модификациях: I — инфильтрационные, II — инфильтрационно-филырующие, III — фильтрующие. Фильтры (пористо-фильтрующие элементы) водоприемников для защиты рыб имеют то же функциональное назначение, что и при заборе воды с засорениями: задерживать их перед или на поверхности.

Рис. 2. Технологические схемы и конструкции фильтрующих водоприемников с повышенной рыбозащитой I - инфильтрационные: А - вдоль русла реки; Б - под руслом реки; В - подрусловая галерея; Г - подрусловая дрена; II - инфильтрационно-фильтрующие: А - водосборная дрена на крупных водоемах; Б - откос; В - остров; Г - береговая дрена; III - фильтрующие: А - оголовок; Б -сифонный; В - ряжевый оголовок; Г - уступ; Д - грибовидный; Е - консольный; Ж - ковш; 3 - дамба; И - колодец; К - стенка; Л - колонна 1 - береговой колодец; 2 - фильтр; 3 - решетка; 4 - аванкамера; 5 - водоотводящий трубопровод; 6 - дрена; 7 - фильтрующая дамба; S -насос: 9 - набережная: 10 - галеоея: 11 - канал

Фильтры водоприемников выполняются разной мощности, в один или несколько слоев естественных (щебень, гравий, смеси с песком и пр.) или искусственных (керамзит, полимеры и др.) материалов, пропускная способность которых может восстанавливаться в эксплуатации или таковой не предусматривается. Наибольший рыбозащитный, защитно-барьерный и водоочистной эффект обеспечивают фильтры водозаборов с развитой водоприемной поверхностью при иБХ < 0,05 м/с.

Третья глава отражает лабораторные и натурно-производственные исследования рыбозащиты фильтрующими элементами для оценки:

A. — влияния размещения фильтров в источниках на эффективность РЗУ.

Б. — фильтрующих элементов в качестве РЗУ в различных гидрологических и ихтиологических условиях.

B. — безопасных для молоди рыб режимов водоотбора в фильтры водоприемников, когда рыбы активно сопротивляются течению и проявляют реакции, исключающие их попадание в водозабор.

Пока не установлено единых критериев биолого-гидравлического моделирования процессов рыбозащиты на различных конструкциях РЗУ. Биолого-гидравлические исследования фильтрующих РЗУ проводились в различных условиях ихтиофауны, что исключает возможность их сопоставления. С гидравлико-технологической стороны важны: площадь фильтра (его габариты), расположение водоприемной площади в рыбообигаемом источнике, скорость водоотбора (входа) в фильтр овх ~ изагр, скорость продольного потока оа (сносящего в реке или образуемого потокообразователями в водоемах) вдоль фронта фильтра.

Поскольку фильтрующие РЗУ не рассчитаны на сбор и отведение молоди рыб за пределы фильтра (не имеют рыбоотводов), то задача ставится о безусловном недопущении всей молоди водоприемным фильтрующим фронтом в водозабор.

Биолого-гидравлическое моделирование рыбозащиты фильтрующими преградами сложно в природных (натурных) условиях и в лабораториях. В природных условиях невозможно отследить поведение молоди рыб в зоне водоотбора и РЗУ, учесть их количество, фактические

распределения по вертикали и горизонтали, их миграции, реальность проявления реакций рыб на раздражители.

В лабораториях (лотках, бассейнах) лишь с долей приближения к реальным условиям возможно воспроизвести поведение рыб от влияния на их поведенческие реакции жестких границ лотков, стенок бассейнов, освещения и акустики, вибраций насосов, оборудования, запахов и т.д. На уровне лабораторно-нагурных исследований взаимодействия молоди рыб с фильтрующими РЗУ обосновало выполнение опытов на фрагментах фильтров с крупностью их в натуральную величину. Это снимает вопрос о степени приближенности результатов при масштабировании моделей. Поведение испытуемых рыб (молоди) в лабораториях лишь отдаленно соответствует натурному, но реакцию на преграду и реореак-цшо они проявляют, зато в лаборатории возможно создать натурные скорости потока иа и ивх (изагр)- Моделирование фильтров водоприемников осуществлено по методикам А.А.Сурина, Д.М.Минца и В.З.Мельцера.

Поведение молоди у фрагментов фильтра наблюдалось в натуре и в лотках при скоростях натуры. Структура потока в фильтре также не искажалась, как и фиксируемые потери энергии. Эта особенность важна при изучении кольматации. и промыва фильтров, для оценки рыбоза-щитных свойств его — не столь существенна. В натуре и на фрагментах крупномасштабных моделей молодь рыб проявлялась в их природном виде. Опыты с живой рыб ой носили обзорный характер, определявшийся возможностями визуальных наблюдений и наглядностью подобных исследований. Приведены экспериментальные установки и изложена методика исследований фильтрующего водоприема для рыбозащиты. На рис. 3 показаны основные экспериментальные установки. При выполнении обследований и нагурно-экшерименгальных исследований защитно-фильтрующих элементов водоприемников как средства рыбозащиты установлены:

— особенности взаимодействия рыб и их молоди с поверхностями

фильтрующих элементов водоприемников;

— влияние направления водоотбора на количество вовлекаемой молоди рыб и взвеси к поверхности и в толщу фильтра;

а)

ср Д,/' /

«л

\ 2 Ф Д

<Сд 3

О О

> 200

<400

б)

в)

600

Ек 6 2

,1 ....

] о

1

1

500

6 300

Рис. 3. Схемы экспериментальных установок а - для исследования степени вовлекаемости рыбной молоди: 1,2 и 3 — варианты расположения фильтрующих поверхностей (стенка, уступ, откос); 4 - фильтр (щебень, керамзит г/ф = 15-кЮ мм); 5 - лоток б, в, г - модели фильтрующих водоприемников: 1 - фильтр; 2 - корпус; 3 - отвод воды; 4 - подфильтровая камера; 5 - шарнирные опоры; 6 - решетка; 7 - перфорированный трубопровод; 8 - понтоны

— динамика вовлечения рыб к поверхности и выявление безопасных для рыб режимов работы фильтров;

— выбор типа, конструкции, материала фильтра, его крупности и др. с позиций рыбозащигы и технологических задач. Гидравлические условия безопасного взаимодействия рыб и их молоди с фильтрующими элементами водоприемников выражаются формированием области питания водозабора и оценкой влияния структуры потоков перед фильтрами на поведение, условия отхода и травматизма рыб.

Рассмотрены факторы, влияющие на область питания фильтрующих водоприемников и получена зависимость для ее расчета при параллельно-струйном обтекании фильтрующей поверхности па основе решения уравнения изменения количества движения, уравнения фильтрации Дюпюи при известном распределении скорости в забираемом потоке, в виде

I. =___________________________(1)

( / » V

21 к,

-20

, I Н ,,

где — ширина полосы отбора в текущем сечении; Ь — длина фильтра водоприемника; — коэффициент фильтрации, м/ч; 1ц — порог до нижней кромки фильтра, м; /¡2 — высота фильтра водоприемника, м; I — ширина фильтрующей загрузки, м; опов — скорость потока на поверхности, м/с; Н — глубина потока, м; г — гидравлический уклон; /г — текущее значение глубина потока.

Зависимость (1) позволяет определить границы действительной области питания при учете турбулентного рассеяния параллельно-струйного потока путем корректировки расхода формулой А.С.Образовского

]и^Г2 = (1 + Ьивх)Ов. (2)

о

В опытах с живой рыбой было отмечено, что к водоприемному фильтру попадали особи, до этого находившиеся в захватываемой области, отделяемой в водоприемник. Область питания ограничивается условными жидкими поверхностями, называемыми границами водоотбора,

имеющими разную форму и по-разному расположенными по отношению к плоскостям поверхности и дна потока. Молодь рыб, находящаяся в потоке за пределами границ водоогбора, угрозе прижатия к фильтру и гибели на водозаборе практически не подвергается, поэтому целесообразно подводить питающие струи под небольшим углом к плоскости во-доприема, т.е. эффективность рыбозащиты зависит от структуры течений перед ними. Наиболее важны для рыб величины скорости перед заграждением. Скорости перед заграждением можно сделать разными при одинаковой скорости в отверстиях заграждения. Поэтому целесообразно нормирование скорости течения на подходе к отверстию (ивх), а не в фильтре (иф). Приближенная формула критической скорости плавания рыб

окри10/,м/с, (3)

где икр —критическая скорость плавания, превышение которой (и > икр) приводит к сносу рыб хвостом по течению; I — длина тела рыб, мм.

В отверстиях заграждения водоприемных окон скорость течения иих при рыбозащите не может и не должна быть равной или большей критической скорости икр, т.е. необходимо выполнять условие

овх < икр < 10/. (4)

Выполнение этого условия дает эффективный результат лишь при наличии возможности ухода рыб от отверстий, что зависит от режима течений на подходе к фильтру. На подходе следует назначать величину скорости икр/т0. Иначе возникает дополнительное существенное требование к устройству водоприемника:

ипл ^ — «кр . (5)

ти

где параметр ти должен назначаться с учетом величины амплитуды изменения икр, в зависимости от температуры воды, вида и размера рыб и др.

В первом приближении, как показали опыты, можно брать значения гпи = 2 и /и,, 5 2,5 при колебаниях температуры воды, освещенности и др. Эти значения мы рекомендуем потому, что в опытах начало "прихватывания хвостов" констатировано при скоростях течения больших 1/2 и,,р. В одних и тех же условиях подхода потока к плоской сетке,

сквозностью (- 56 %) и фильтрам II и III типов, пористостью 50 % "прихватывание" и прижатие рыб I= 20...25 мм наблюдалось на сетке при ипл = (8...10)/, в то время как на фильтрах при скоростях подхода ипл = (11.-.13)/ этого явления не отмечено. В наших опытах прижатия или затягивания рыб в фильтры не наблюдалось до овх < 0,20 м/с.

Особым вопросом устройства рыбозаградительных фильтров является их крупность с/ф. Наши опыты с живой рыбой проведены с фильтрами крупностью 5...10, 10...20...50...150 мм и с керамзитом, 20...25...75 мм. В этих пределах никакого влияния качества и крупности загрузки фильтра на поведение рыб — не обнаружено. Можно утверждать, что минимальная крупность фильтра РЗУ должна быть равной или больше длины тела молоди рыб. Впредь до дальнейших уточнений примем, что крупность однородного рыбозаградителыюго фильтра независимо от материала зерен должна быть равной

¿ф = mdl, (6)

где I — длина тела рыб; п¡i — параметр, больший единицы.

В каменно-набросных фильтрах размеры пустот б...8 см и более, а размеры защищаемой молоди рыб могут быть приняты в среднем < 2 см. Верхнее значение т^, по-видимому, можно принять равным > 3 (пределы изменения параметра ти^=1...3). Установлено: рыбозащитный эффект фильтра не зависит от его толщины. Рыба своей боковой линией, а не зрением (к фильтру она приближается хвостом) чувствует степень сплошности преграды. Если сплошность создана при меньшей толщине фильтра, то дальнейшее увеличение ее не усиливает рыбозаградителыюго эффекта и может лишь ухудшить эксплуатацию заграждения. Рыбо-заградительные сетки не обладают сплошностью заграждения, и поэтому к ним рыб прижимает при меньших скоростях. Следует практически важный вывод: рыбозаградителыюе устройство с внешней стороны (со стороны потока) должно казаться рыбам сплошным.

С точки зрения ожидаемого поведения молоди рыб у фильтров наибольшее значение имеют положение границ водоотбора в потоке, структура течений последнего, величина и направление скоростей подхода к отверстиям и тип механического заграждения. Сделана попытка определить рациональное соотношение ихтиологических, гидранличе-

ских и технологических условий фильтрующих РЗУ при управлении движением рыб и молоди. Скорости (в водотоках — продольные иа и овх или ивх; в водоемах —скорости водоотбора — оих = о-вт) служат преградой большинству рыб и молоди и целесообразно изменять величины скоростей для отгона (задержания) рыб в заданной акватории. При разработке РЗУ важно учитывать скорости плавания рыб: крейсерская ок (с ней рыба может плавать часы; иногда эту скорость обозначают также ипл), поддерживаемая скорость опол (рыба может плавать минуты) и бросковая Обр (она же — рывковая — ирь1ВК); верхний предел этих скоростей - максимальная скорость отах. Эффективность РЗУ с. ихтиологических, гидравлических и технологических позиций определяет:

— вероятность столкновения с элементами водозабора и фильтра РЗУ;

— объемы забираемой воды и скорости изымаемого потока на подходе к водоприемному фронту в границах области питания;

— выживаемость рыб, задержанных перед рыбозащитными фильтрами.

Безопасный для рыб режим работы фильтрующих РЗУ гарантирован для основной массы молоди и личинок в любых ихтиоусловиях и в любые периоды онтогенеза, если предусматривать скорости втекания в фильтр овх < 0,06 м/с (рис. А). Видно, что если следовать нормативам, то рыбозащита не обеспечивается для всех рыб с I < 25...30 мм. СНи-Повские значения ивх безопасны лишь для рыб с 1> 200...250 мм и должны быть снижены в 2,0...2,5 раза для действительной безопасности любых видов рыб с / < 10 мм.

В четвертой главе рассматриваются результаты исследований по совершенствованию фильтрующего водоприема для повышения эффективности рыбозащиты. Главный вывод: фильтрующий водоприем наряду с его большими технологическими преимуществами перед другими типами водоприемных сооружений обладает также и повышенными рыбозащитными характеристиками. Рыбозащитную способность фильтрующих элементов водоприемников следует оценивать по:

а) возможности создания скоростей подхода потока ивх < иШ1 молоди рыб к фильтрующим поверхностям, т.е. нужно учитывать видовой состав молоди рыб для основной массы ее;

"пл. «вх. м/с

скорость бросковая; скорость поддерживаемая; скорость крейсерская; рекомендуемая безопасная ивх; верхний и нижний пределы значений ивх по СНиП;

Рис. 4. Сравнительные диаграммы скорости плавания ипл молоди рыб (/ < 20 мм) разных пород и скорости втекания ивх в водоприемники

1 - минога; 2 - карп; 3 - белуга; 4 - язь; 5 - морской окунь; 6 - таймень;

7 - форель; 8 - хариус; 9 - нерка; 10 - чавыча; 11 - лосось; 12 - кижуч;

13 - осетр; 14 - сельдь

б) невовлечению, кроме молоди рыб, к поверхности фильтра планктона, взвеси, мусора, шути. Если для основной массы молоди обеспечивается возможность ухода ее из области питания водозабора, то мусор, водоросли и пр. должны быть задержаны на поверхности фильтрующих элементов и удалены последующей промывкой, импульсами давлений, продувкой и т.п.

Рыбозащиту до 100 % обеспечивают инфильтрационные и ин-фильтрационно-фильтрующие модификации водозаборов, т.к. при больших площадях водоотбора и малых ивх < 0,005 м/с рыбы, молодь, личинки практически не ощущают никаких изменений сложившихся режимов течений в акваториях водозаборов. В таких водоприемниках не предусмотрена регенерация каменного, либо каменно-песчаиого тела ог-

□ -

□ -

ш -

—л— —

—о— -

раждающих откосов, дамб, ковшей и др. Выбор технологий фильтрующего водолриема и конструкций РЗУ предполагает обоснование широкого круга параметров водоприемников и обеспечения рыбозащиты наиболее рационально и приемлемыми сред^вами, исходя из условий водоот-бора и ихтиологической ситуации источников.

Функции фильтров водозаборов при шуголедовых помехах, водорослях и пр. при рыбозащите без принудительного движения рыб в границах каких-либо жестких каналов существенно отличны. Эффективная рыбозащита обеспечивается, если: '»--

а — скорости подхода к фильтрующим поверхностям ивх < опл; гарантируют сохранность молоди рыб при ивх <0,1 м/с. Эффект рыбозащиты тем выше, чем меньше скорости овх;

б — свободны и не ограничены жесткими границами условия формирования гидравлических структур отбираемого потока, где молодь рыб из области питания свободно отходит;

в — отбираемый расход из рек обеспечивает возможность рыбам не попадать в границы потока изъятия, с предельно допустимым соотношением иа/ивх >4...5 и Ра/Рвх - 7...10 при режимах деления потоков.

Обоснованы принципы выбора типа, конструкций и режима эксплуатации фильтрующих водоприемников с повышенной рыбозащитой. На степень вовлекаемости рыб и их молоди в фильтр при правильно назначенных скоростях ипх расположение фильтра и направление водоот-бора практически не влияет. Тип и конструкция водоприемника должны назначаться по условиям обеспечения максимального эффекта задержания наносов, взвеси, планктона. Обеспечение рыбозащиты требует правильного назначения овх, позволяющих молоди рыб уходить из зоны влияния водозабора. Поскольку задача рыбозащиты не всегда соответствует задачам технологическим, то конструкция и тип водозабора с фильтрами должны обеспечивать рыбозащиту не в ущерб требованиям технологическим и эксплуатационно-экономическим.

Эффективность рыбозащиты водоприемниками Эрз, определяется функционально значениями скорости входа овх, скорости плавания ипл рыб, зависящей от I рыб, а также режимом водоотбора: инфильтрацион-

ный, инфильтрационно-фильтругощий (с?ф = 10... 100 мм) и фильтрующий, с разным положением водоприемной поверхности в источнике с ¿ф = 10...100 мм. Изучались I рыб 5...50 мм и скорость водоотбора от 0,005 до 0,6 м/с. Зависимость эффекта рыбозащнты от крупности фильтров представлена на рис. 5.

Эр3, % 100

90 80 70 60

50

I

....................т.^.,..................

V

0 10 20 20

30

40 50

60

70

90 (I,,

¿ф, мм

Рис. 5. Эффективность рыбозащиты в зависимости от крупности

фильтра при:

I - инфильтрационном водоотборе (ивх < 0,005 м/с); II -инфильтрационно-фильтрующем водоотборе (ивх < 0,02 м/с); II) -фильтрующем водоотборе (ивх < 0,1 м/с); IV - то, же (ивх > 0,1 м/с); V - граница зоны минимально допустимой эффективности рыбозащиты по СНиП От < 70 %)

Несмотря на недостатки (гидравлические, конструктивно-эксплуатационные) и справедливую критику, применяются для РЗУ съемные фильтрующие кассеты и панели, приемлемые по соображениям простоты и доступности. Гидравлический расчет кассет производят на условную скорость втекания овх, относимую ко всей площади сечения пор в отверстии, перекрываемом кассетой, равную икр плавания рыб

х)вх<окр=10/ (7)

или скорость фильтрации Оф, неверно отождествляемую с о„

Оп я Оф = овхр, (8)

где р — пустотность кассет (р = 0,4...0,5); I — длина тела защищаемых рыб.

Скорость подхода воды к отверстию иЕХ, считая ее по нормали, должна приниматься:

10/

Потери напора 2 в незасоренной кассете толщиной Ь м, равны

(9)

(10)

где Кф — коэффициент фильтрации незагрязненных кассет,

Кф = 0,15...0,20 м/с.

Каждый тип водоприемника с фильтрующим» элементами в качестве РЗУ имеет свой гидравлический расчет. В камснно-набросных фильтрующих дамбах Оф через дамбу из разнофракцнонной наброски можно предложить определять по формуле В.П.Недриги

1,47(1 - р)

г

иФ =■

о.

1 + 2,70 I - 1

(11)

(1 -Р?

где Оэ^У^-Р,- О; - эффективный средний диаметр разнофракцнонной

вес материала фракций; уы —удельный вес материала фракций; р - пористость фильтра; I — гидравлический градиент. Для разнофракцнонной наброски из угловых фракций:

24(1 ~р)

наброски; Ц- = з!-— , здесь С,

ь„

иф =

1 + 93 1-Х

О -рУ

(12)

Расчетом подбирается необходимая длина дамбы, которая при заданных скоростях фильтрации Оф < 0,5осн, вычисленном удельном расходе ()вх и перепаде АН = — 1г2 пропускает заданный расход.

\)ф через кассеты не должна превышать 0,1 м/с. Наименьшая толщина кассеты принимается в три —пять раз больше зерен загрузки. При использовании фильтрующих пороэластовых плит:

иф=0,3 МЫ/В, (13)

где Н — напор на заграждении; (1 В — толщина плиты.

средняя крупность материала фильтра;

Гидравлические расчеты водоприемников с фильтрующими РЗУ выполняют в последовательности:

а) находят критическую скорость плавания молоди рыб по приближенной формуле

икр = /<:,/, (14)

где К\ = 5... 15 с"' — ихтиологический коэффициент, зависящий от видового и возрастного состава молоди; / — длина тела рыб, мм.

б) находят скорость течения воды, поступающей в водоприемник: ивх — отнесенная к сжатому сечению; о„ — то же ко всей площади во-доотбора:

и„ = о0Хр, (15)

где р - пористость фильтра водоприемника, равная для панелей из иороэла-ста или керамзита — 0,30; для каменных материалов — 0,50; для жалюзи и пакетпо-реечных — « 0,50.

в) определяют площадь водоприемника, м2, для всех секций водо-отбора при их одновременной работе (кроме резервных) по формуле

Пбр = 1,25двх/Ч„ (16)

где 1,25 — коэффициент учета засорений; 0ВХ — расчетный расход одной секции, м3/с;

г) оценивают надежность водоприемника, исходя из условий:

— исключения возможности захвата рыб течением в водоприемном фильтре:

оп<икр; (17)

— обеспечения уноса рыбы (отхода ее) от водоприемной плоскости

овх<ор/К2, (18)

где /<2«2...4 — ихтиологический коэффициент; для фильтров с (I < 20 мм К2 = 2; ор — скорость течения в водоеме, из которого отбирается вода.

В пятой главе рассмотрены вопросы практического использования результатов исследований. Сформулированы закономерности, подлежащие учету при выборе мест расположения водоприемников с фильтрами РЗУ. Рассмотрены особенности обеспечения рыбозащиты при фильтрующем водоприеме из крупных водоемов. Рекомендуется применение технологий водоприема, предусматривающих уход от всех помех под защиту сооружений, являющихся одновременно защитными, обесиечи-

тающими функции водоотбора, и совпадающие с границами водоотбора, т.е. являющиеся защитно-фильтрующими. Одно из достоинств крупных водоемов — гарантированные глубины в межень и возможна ориентация на водозаборы глубинные, фильтрующие дамбы и др.

Для Евро-Азиатской части РФ целесообразны фильтрующие береговые водоприемники типа "фильтрующий откос" или "фильтрующая стенка", обеспечиваются рыбозащитные скорости овх < 0,02 м/с (нз расчета (?СуТ. 300. ..350 м3/сутки). Рассмотрены вопросы обеспечения рыбозащиты при плотинном и бесплотинном фильтрующем водонриеме из малых водотоков со средними скоростями фильтрации иф ср в фильтрах, исключающих возникновение турбулентности:

иф.сР =----— . <19)

где У — гидравлический градиент; С — коэффициент, равный 1000; -температура воды, °С; — действующий диаметр фильтра дрены.

Для инфильтрациошго-фильтругощпх водозаборов максимально допустимый водоотбор (?вх.тах с наибольшей очисткой воды и рыбоза-щитой равен:

.шах тллл ^ф.др£-друф.доп>

(20)

где »галл — мощность аллювия, ы; /)ф.дР — внешний диаметр фильтра дрены, м; ХДр — длина рабочей части дрены, м; Оф доп — допустимая скорость входа воды в фильтр дрены, м/с

«ф.доп. = алл , м/с, (21)

где Кф.адл — коэффициент фильтрации обводненных пород аллювия, м/сут.

Критический Овх.кр, обеспечивающий рыбозащиту и очистку забираемой воды определяется формулой:

Ом

где Гф — внешний радиус фильтрующей обсыпки фильтра, м; теалл -мощность аллювия, м; — критический градиент, т.е. исключающие кольматацию фильтрующей обсыпки дрены и ее суффозию.

ВЫВОДЫ

1. Проблема рыбозащигы на водозаборах и совершенствования конструкций РЗУ является одной из актуальных проблем сохранения их-тиоразнообразия во внутренних и территориальных водах.

2. Фильтрующие элементы водоприемников обеспечивают достаточно высокий уровень рыбозащиты я являются основой дальнейшего совершенствования РЗУ на водозаборах в широком диапазоне природ-но-гидрологических и ихтиологических условий. Фильтрующие ры-бозащитные элементы водоприемников могут реализовываться в виде фильтрующих, инфильтрационно-фильтрующих, комбинированных модификациях в различном конструктивном исполнении — оголовки, дамбы, откосы, ковши, галереи и др. из различных природных (щебень, гравий, каменно-песчаиые и др.) и искусственных (керамзит, пенопласты и др.) материалов.

3. На основе теоретических, экспериментальных и натурно-нроизводственных исследований предложены направления совершенствования фильтрующих рыбозащитных водозаборно-очистных сооружений, исходя из видового и возрастного состава рыб и молоди, условий проявления ими реореакций, реакций на преграды и способности к плаванию; установлены основные условия безопасного для рыб взаимодействия их с фильтрующими преградами;

4. Установлены основные принципы использования фильтрующих элементов водозаборов в качестве РЗУ, наиболее рациональные соотношения биологических, гидравлических, технологических условий фильтрующего при управлении движением рыб и молоди.

5. Установлено, что фильтрующие РЗУ обеспечивают рыбозащиту выше, чем другие типы РЗУ, за счет создания практически любых площадей водоотбора и, соответственно, малых ивх < опл рыб (ивх < 0,5икр), при которых молодь рыб с / < 10 мм способна уходить из области питания водозабора.

6. Установлено, что фильтрующие РЗУ обеспечивают безопасный для рыб и их молоди водоотбор при входе воды в фильтр ивх < 0,02 м/с,

меньших unJI молоди с / < 10 мм; чем меньше значения ивх, тем безопаснее для ихтиофауны водоема водозабор.

7. Установлена связь видового и размерного состав а рыб и молоди и их способности к плаванию с видом фильтрующих преград, направлением водоотбора и режима эксплуатации водоприемников с фильтрами. Толщина фильтра, крупность его материала (d > 20 мм) для рыб существенно не влияет.

8. Предложены конструкции водозаборно-очистных сооружений с фильтрующими РЗУ для крупных водоемов, для рек, для малых рек при бесплотинном и плотинном водоотборе.

9. Годовой экономический эффект от внедрения разработок составил 441,60 тыс. руб. (в ценах 1981 г.).

По теме диссертации опубликовано 7 статей.

1. Вдовий Ю.И., Воронина JI.B. Фильтрующий водонрием из источника с обильной йодной растительностью // IV-ый Мсжд. конгресс "Вода: экология и технология". — Тезисы. — Экватэк-2000. — М., 2000. — С. 316-317.

2. Воронина Л.В., Вдовин Ю.И. Фильтрующий водоприем из источника с водорослями // Сб. материалов междунар. н.-практ. конф. — Проблемы инженерного обеспечения и экологии городов. — Пенза, 1999. — С. 91-94.

3. Воронина Л.В., Гетман C.B. Вопросы рыбозащиты в дисциплинах специализации 29.04.00 и 29.08.00 // Тезисы XXXI науч.-метод, конф. ПензГАСА.. — Инновац. технологии организации обучения инженеров-строителей. — Пенза, 2000. — С. 67-68.

4. Воронина JI.B. Об инженерно-ихтиологической и экономической эффективности рыбозащитных устройств на водозаборах // Сб. материалов междунар. н.-практ. конф. — Проблемы реформирования жилищно-комму-иального хозяйства в России: теория и практика. — Пенза, 2000. - С. 45-50.

5. Воронина Л.В., Гетман C.B., Княжев М.Н. Рыбозащита на фильтрующих водозаборно-очистных комплексах // Сб. материалов междунар. н.-практ. конф. — Проблемы реформирования жилищно-коммунального хозяйства в России: теория и практика. — Пенза, 2000. — С. 76-81.

6. Воронина Л.В., Вдовин Ю.И., Кордон М.Я. Тенденции совершенствования рыбозащиты и конструкций РЗУ на водозаборах // Сб. материала междунар. н.-практ. конф. — Человек и окружающая природная среда. — Пенза, 2000. - С. 141-146.

7. Воронина Л.В., Лушкин И.А. Рыбозащита на водозаборах из малы? рек и прудов / / Тезисы III региональной н.т. конф. — Проблемы регио нальной экологии. — Тамбов, 1999. — С. 43-44.