автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Рыбозащитный комплекс для водозаборов из непроточных и малопроточных водоемов

РЫБОЗАЩИТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ВОДОЗАБОРОВ ИЗ НЕПРОТОЧНЫХ И МАЛОПРОТОЧНЫХ ВОДОЕМОВ

Специальность: 05.23.07 - "Гидротехническое и мелиоративное строительство"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск 1998

Работа выполнена в Новочеркасском государственной мелиоративной академии (НГМД).

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Сукало Г.М.

Официальные оппоненты - доктор технических наук.

старший научный сотрудник Бондаренко В. Л.

- кандидат технических наук, доцент Муравенко Г. С.

Ведущая организация - Министерство сельского хозяйства Ростовской области

Защита состоится 29 декабря 1998 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета К 120.76.02 в Новочеркасской государственной мелиоративной академии по адресу: 346428 г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Пушкинская, 111 (ауд. 236).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГМД.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью предприятия, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совега,

кандидат технических наук.

допент

Храпковскии В. А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Одним из актуальных вопросов современного гидротехнического строительства является создание высокоэффективных устройств дм защиты молоди рыб от попадания в водозаборы различного назначения.

Особенно сложно вопросы рыбозащиты решаются при заборе воды из малопроточных водоемов, которые характеризуются тепловым загрязнением, большим количеством водной растительности, отсутствием выраженной пространственно-временной структуры распределения молоди рыб при покатных миграциях. Основным средством рыбозащиты на таких водозаборах являются рыбсзащитные устройства на базе сетчатых конструкций, работу которых усложняют большое количество плавающего мусора и отсутствие течений, обеспечивающих рыбомусороотведение. Продолжающийся водоотбор из малопроточных водоемов потребовал поиска соответствующих решений по защите молоди рыб, что и определило выбор темы научного исследования.

Работа выполнялась в рамках координационного плана ГКНТ СССР по заданию 06.01 "Разработать и внедрить комплекс мероприятий, рыбо-защитных устройств и рыбопропускных сооружений для сохранения и воспроизводства рыб при энергетическом и водохозяйственном строительстве" проблемы 0.85.01. Тематика работы соответствует "Республиканской (федеральной) целевой научно-технической программе на 19921995 гг. ", проблема 3.11/37.0 "Разработать новые высокоэффективные технологии и конструктивные решения по сохранению рыбных запасов в источниках орошения".

Цели и задача исследовавши.

Целью работы является разработка конструкций и методик расчета промывных и мусороотводящих устройств сетчатых рыбозащитных сооружений, устраиваемых на водозаборах из малопроточных водоемов.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

- провести исследование эффективности работы промывных и мусороотводящих устройств на действующих сетчатых рыбозащитных сооружениях;

- разработать эффективные конструкции промывных и мусороотводящих устройств для сетчатых рыбозащитных сооружений;

- разработать методики расчета и рекомендации по конструированию промывных и мусороотводящих устройств.

Материал и методика исследований. Задачи, поставленные в работе, решались ааналитически с использованием математических методов теории струй и экспериментально - путем постановки натурных и лабораторных исследований с применением физического моделирования. Необходимая информация была получена в результате проведения натурных исследований рыбозащитных устройств водозаборов Азовского и Донского МК, Манычской НС № 1, а также лабораторных исследований промывных устройств.

Натурные гидравлические исследования проводились по методикам, используемым в инженерной гидрологии, а ихтиологические - в соответствии с методическими указаниями по работе контрольно-наблюдательных пунктов Главрыбвода на водозаборных сооружениях.

Автор защищает:

- результаты анализа состояния эксплуатации рыбозащитных устройств на водозаборах из малопроточных водоисточников;

- результаты натурных исследований эффективности рыбозащитных устройств на водозаборах из малопроточных водоисточников;

- технические решения промывных и мусороотводящих устройств, применяемых на сетчатых рыбозащитных сооружениях;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанных устройств;

- методики расчета гидроструйного и водовоздушного промывных устройств;

- рекомендации по компоновке сетчатых рыбозащитных сооружений с мусороотводящими и струйными промывными устройствами.

Научпую новизну работы составляют:

- технические решения промывных и мусороотводящих устройств, защищенные авторскими свидетельствами и патентами;

- результаты натурных и лабораторных исследований промывных и мусороотводящих устройств;

- аналитические зависимости и методики расчета гидр о струйных и водовоздушных промывных устройств.

Практическую ценность работы составляют: разработанные и внедренные конструкции промывных и мусороотводящих устройств:

- методики, алгоритмы, рекомендации по расчету и компоновке промывных и мусороотводящих устройств для сетчатых рыбозащитных сооружений водозаборов из мапопроточных водоемов.

Реализация и внедрение работы. Производственная проверка результатов исследований и внедрение разработанных конструкций осуществлено на РЗС водозаборов Азовского и Донского магистральных каналов, Манычской НС № 1, насосных станций Краснодарского края. Методики расчета и конструирования гидроструйного и водовоздушного

промывных устройств внедрены в практику проектирования ГУ ПИ "Южводпроект", Кубаньгапроводчоза, Кубаньмелиоводхоза.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на конференциях ученых и специалистов по водному хозяйству (г. Новочеркасск, 1992 г.), "Проблемы мелиорации и экологии Юга России" (г. Новочеркасск, 1993 г.), "Проблемы ирригации Ростовской области" (г. Новочеркасск, 1995 г.), Всероссийской научно-практической конференции "Экологические аспекты эксплуатации гидромелиоративных систем и использования орошаемых земель" (г. Новочеркасск, 1995 г.), "Экология и природопользование в Ростовской области" (г. Новочеркасск, 1996 г.).

Материалы диссертации доложены на кафедре гидротехнических сооружений НГМА в ноябре 1998 г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 13 печатных работ, из них 6 авторских свидетельств и патентов РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов и 15 приложений. Общий объем диссертации 27-' ~,р;шшц в том числе страниц машинописного текста, 82 рисунка, 19 таблиц, 45 страниц приложений и списка литературы из 122 наименований на 10 страницах.

Работа выполнялась на кафедре пиротехнических сооружений и в отраслевой научно исследовательской лаборатории технического обоснования проектов рыбопропускных и рыбозащитных комплексов НГМА.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен анализ современного состояния эксплуатации рыбозащитных сооружений (РЗС) на водозаборах из малопроточных водоемов.

Отмечен вклад в решение вопросов защиты молоди рыб от попадания в водозаборы из малопроточных водоемов отечественных ученых: Барекяна А.Ш., Бондаренко В. Л., Киселева-Цецхладзе В.Н., Лупанди-наА.И., Малеванчика Б.С., Мантейфеля Б.П., МихееваП.А., Муравен-ко Г.С., Нусенбаума Л.М., Павлова Д.С., Пураса Г.Н., Фильчагова Л.ГГ., Цыпляева A.C., Шкуры В.Н. и других.

В главе приведены сведения об условиях работы ряда водозаборов и применяемых на них конструкций рыбозащитных устройств. Установлено, что наибольшее распространение на водозаборах из малопроточных водоемов получили сетчатые конструкции рыбозащитных устройств, работа которых осложняется рядом естественных факторов:

- значительным содержанием взвешенного и плавающего мусора, что приводит к быстрому засорению сетчатых полотен РЗС;

- наличием обильной кормовой базы, приводящей к повышенной концентрации молоди рыб в зоне водозабора;

- отсутствием перепадов уровней воды для устройства транзитных течений и самотечных мусороотводов.

Анализ условий эксплуатации сооружений показал, что применяемые конструкции рыбозащитных устройств не адаптированы к условиям малопроточных водоемов и имеют низкую эффективность рыбозащиты.

Дана критическая оценка конструктивных решений средств защиты водозаборов и очистки сетчатых полотен РЗС от плавающего мусора Отмечено, что удаление крупного мусора от водозаборного фронта производится, в основном, механическим путем. Несмотря на значительное количество разработанных конструкций для очистки сетчатых полотен, в основном, применяются шдроструйные и водовоздушные промывные устройства, имеющие ряд функциональных недостатков.

Сделан вывод о том, что эффективная работа РЗС возможна при снижении загрязняющей нагрузки на сетчатых полотнах путем устройства предварительной мусорозапцгты, обеспечении качественной очистки сетчатых полотен в течение всего периода эксплуатации, создании условий для безопасного выхода молоди рыб и систематического отвода мусора за пределы зоны влияния водозабора.

Вторая глава посвящена исследованиям работы сетчатых рыбо-защитных сооружений Азовского и Донского магистральных каналов, Манычской НС № 1, забор воды в которые осуществляется из Веселов-ского, Цимлянского и Пролетарского водохранилищ. В результате проведения исследований установлены условия работы РЗС и факторы, осложняющие их эксплуатацию, определена эффективность РЗС по защите молоди рыб от попадания в водозаборы при различных режимах их эксплуатации, проведена оценка надежности работы водозаборного узла в целом и отдельных его элементов, выявлены недостатки конструкций РЗС и намечены направления их устранения.

На каждом водозаборе были выполнены комплексные гидротехнические и гидравлико-биологические исследования.

При определении надежности работы сооружений исследовались надежность непосредственно сетчатых заграждений и их промывных устройств, которые оценивались функциональной способностью пропускать заданные расходы воды. Интенсивность отказа устанавливалась опытным путем из условия нормального 20 %-ого загрязнения сетчатого полотна (СНиП 2.04.02-84).

Гидравлическими исследованиями установлены основные закономерности распределения скоростей течения воды в створах на подходе к РЗС, фильтрационных скоростей в ячеях сетчатых полотен. Данные замеров показывают, что характер течений в каждом случае определяется

компоновочно-конструктивными решениями, условиями эксплуатации сооружений и особенностями водоисточников.

Для РЗУ Азовского МК характерно неравномерное распределение удельных фильтрационных расходов по граням, изменение коэффициента неравномерности в пределах 0,61-1,35 связано с засорением сетчатых полотен, которые недостаточно эффективно очищаются промывными устройствами. Средние скорости фильтрации в ячейках сетчатых полотен при нормальном загрязнении составляют 0,15; 0,30; 0,40 м/с соответственно для РЗС Азовского и Донского МК, Манычской НС № 1.

Ихтиологические исследования проводились с целью определения эффективности рыбозащиты. Данные об эффективности РЗС на этих объектах приведены в таблице 1.

Таблица 1

Для размерного Эффективность

состава молоди РЗС Азовского РЗС Манычской РЗС Донского

рыб МК.% НС № I, % МК.%

Менее 15 мм 31,6 17,6 15,2

Всех размеров 59,2 43,9 36,6

Основными причинами низкой рыбозащигной эффективности исследованных сооружений является неравномерность распределения удельных фильтрационных расходов на сетчатых полотнах, сверхнормативные средние скорости фильтрации в их ячеях, низкая эффективность работы промывных устройств вследствие высокой концентрации мусора в потоке и отсутствия транзитных течений, обеспечивающих отвод мусора и молоди рыб от водозаборного фронта

Исследованиями на РЗС Донского МК установлено, что при положительной разности температур воды и атмосферного воздуха (в период исследований ДI = 9 °С) эффективность очистки сетчатого полотна во-довоздушным промывным устройством выше на 10-12 %, чем шдро-

струйным, а при значениях близких к нулю (в период исследований Д t = 1 °С) эффективность работы водовоздушного промывного устройства уменьшается на 20-30 % и становится ниже на 10-15 % эффективности гидроструйного.

Полная очистка сетчатых полотен не достигалась ни одним типом промывных устройств. Повышение же эффективности рыбозащигных сооружений возможно при использовании дополнительных устройств мусо-роотведения и обеспечения качественной очистки сетчатых полотен.

В третьей главе представлены результаты конструктивных разработок эффективных конструкций промывных и мусороотводящих устройств, шесть из которых защищены авторскими свидетельствами и патентами. Предпосылками для создания новых конструкций послужили результаты исследований, установленные преимущества и недостатки действующих устройств.

Базовым техническим решением для разработки промывных устройств послужила конструкция по A.C. 1493730, позволяющая подавать на поверхность сетчатого полотна водовоздушные струи.

В водовоздушном промывном устройстве по A.C. 1629384 выполнение насадков на внешней стороне воздухоподводящей полости, расположенных соосно с раздаточными отверстиями промывной трубы, позволяет в образованной камере смешения эжекционной установки увеличить эжекцию воздуха к выходящим из отверстий водяным струям (рис. 1,а).

Комбинированное промывное устройство по патенту РФ 2017881 позволяет осуществлять промывку сетчатых полотен в зависимости от перепадов температуры воды и атмосферного воздуха в гидроструйном и водовоздушном режимах, что достигается за счет эжекции воды или воздуха к выходящим из отверстий водяным струям (рис. 1,6).

Промывные устройства

По А.С. 1629384

По патенту 2017881

б)

По АС. 1802040

в)

С подогревом воздуха /О

Г)

1 - сетчатое полотно; 2 - промывное устройство; 3 - мусороотводяший лоток: 4 - воздухоподводящая полость; 5 - раздаточные отверстия: б - внешние насадки; 7 - гибкая оболочка; 8 - щелевое отверстие; 9 - смесь для очистки сетки: 10 - нагревательный элемент

Рясупок 1

Применение промывных устройств по A.C. 1802040 с использованием гидравлических струй, содержащих абразивный материал и с предварительным нагревом воздуха термоэлементами, позволяет осуществлять качественную промывку сетчатых полотен при специфических условиях эксплуатации сетчатых конструкций (интенсивное зарастание дрейсеной, обмерзание, возможность демонтажа и др.) (рис. 1,в,г).

Мусорозадерживакнцее устройство по патенту РФ 2023091 позволяет эффективно очищать поток от мусора путем установки перед сетчатым полотном жесткого мусорозадерживающего элемента, при подъеме которого из воды между полкой и закрылком образуется мусороотводящий лоток (рис. 2,а). Устройство, наряду с мусороотведением, выполняет роль тактильного ориентира для молоди рыб, обитающих в верхних слоях потока, и создает теневую зону перед сетчатым полотном, что снижает опасность зарастания его водорослями.

Мусороотводящее устройство по патенту РФ 2029022 обеспечивает создание оптимальных условий для сбора в поверхностных слоях потока мусора и молоди рыб и транспортирования их за счет энергии перепада уровней из под козырька сифона во внутреннюю полость мусороотводя-щего лотка (рис. 2,6).

Рыбозащитное устройство с дополнительными сетчатыми элементами по патенту РФ 2026465 (рис. 2,в) позволяет путем создания локальных мусороотводящих лотков отводить мусор и молодь рыб в том горизонте водотока, где они находятся в момент промывки сетчатого полотна Четвертая глава посвящена теоретическим исследованиям водо-воздушного промывного устройства Основной задачей расчета промывных устройств является определение параметров струи, с использованием которых рассчитываются геометрические размеры струйного аппарата.

Мусорозадерживающие устройства а) по патенту РФ 2023791 б) по патенту РФ 2029022

в) по патенту РФ 2026465 Технологические операции

сбор мусора отвод мусора

/// /// /// /// 1 - стационарное сетчатое полотно; 2 - промывное устройство; 3 - локальные мусороотводящие лотки; 4 - козырек сифона; 5 - шарнир; 6 - сетчатые закрылки; 7 - полка

Рисупок 2

Отмечена достаточная степень изученности вопроса истечения воздушной струи в жидкость (Г.Н.Абрамович, Л.Г.Лойцянский, Б.Ф.Гликман и др.) и отсутствие известных методов расчета траектории компактной газожидкостной струи, формирующейся при горизонтальном истечении во-довоздушной струи (ВВС) в жидкость.

Расчет кинематических параметров ВВС выполнен для начального и основного участков струи (рис. 3).

1 - граница ядра; 2 - граница струи Рнсупок 3

В результате получена зависимость для определения скорости на динамической оси водовоздушной струи в виде:

Схема течения в водовоздушной струе

У

к»

(1)

где ит,ио - скорости на динамической оси и истечения из насадка соответственно; Гн - толщина струи в конце начального участка;

СХ0б - объемный корректив количества движения;

Рн> Рх - плотности ВВС соответственно при X = Хн и X > Хн.

При расположении оси сопла в горизонтальной плоскости траектория ВВС искривляется вверх под влиянием архимедовой подъемной силы, воздействующей через пузырьковый шлейф на всю струю. Траектория во-довоздушной струи получена из условия радиального равновесия элементов струи и описана дифференциальным уравнением второго порядка

При проектировании ВВС практический интерес представляет наиболее активная часть струи длиной участка X < Хвых, то есть участка, на котором пузырьки воздуха выходят из тела струи, образуя восходящий шлейф воздуха и в пределах которого необходимо устанавливать сетчатое полотно (рис. 4).

Схема воздушно-пузырькового шлейфа

2Г

[с о о о о ° О 1 о|° ° а а о о а ! •', - "о °! ° ° ° ° " " -т"

а У X

*4 5ид еберху Л-1

———я—«—' 7 ' ° ' ______У • а • о , ° X /1 О О 6 «• о » • О >

^ о О о а о / ~-—2—; ° . »— ■—. I1 ас

1 - мелкодисперсионное ядро струи; 2 - пузырьковое ядро струи; 3 - восходящий шлейф Рисунок 4

Величины XI и Х2 характеризуют границы устойчивого выхода пузырей по всей ширине струи в поперечных ее створах и определены из условия

иэ<ип, (2)

где иэ - скорость эжекгирования для основного участка ВВС, равная

и и0го -\/сс0б

иэ =---—; (3)

гх 6

ип - скорость всплывания одиночного пузыря в неподвижной струе, определенная из условия Рв = РС0Пр и равная

I (2(р,ё4/Зг^-Оп)

ип = - р—--. (4)

Гц I -р*

Решение зависимости (2) при знаке равенства дало выражения для определения радиуса струи Гх, и абсциссы Х1, соответствующей началу выхода пузырей из ВВС и оптимального расположения сетчатого полотна РЗС по отношению к промывному устройству

а

оо

ГХ1 - Гх|х=х1 - Г0 ^ , (5)

Гх, -Гн

Х1=Х„+^-5-, (6)

«-об

Выражение для абциссы конца выхода пузырей Х2 принято из условия Х2= (1,6-1,8) Хь

Сопоставление расчетных координат границ восходящего воздушно-пузырькового шлейфа с данными экспериментальных исследований

(Ефремкина Л.В., 1991) показало приемлемую для практических расчетов сходимость результатов.

Алгоритм автоматизированного расчета водовоздушного промывного устройства, реализованный на языке Паскаль, приведен на рисунке 5.

В пятой главе приведены результаты теоретических и лабораторных исследований гидроструйного промывного устройства, выбор которого обусловлен снижением эффективности очистки сетчатых полотен водовоздушным промывным устройством при разности температур воды и эжектпруемого воздуха близкой к нулю (см. главу 2).

Расчетные зависимости для определения кинематических характеристик промывной струи получены с использованием приемов теории турбулентных струй.

Совместным решением известных уравнений Шлихтинга и Абрамовича получена для определения продольной скорости на основном участке промывной струи 11; от скорости истечения ио

12,47

и^_

ио х/г0 +3,77

/

\

у ¿До

0,26х

г0

1

3/2'

2

(7)

Зависимость позволяет определить технические характеристики системы "промывное устройство - сетчатое полотно" при заданном диаметре гидрострунного насадка с!г = 2Г0 (расстояние до сетчатого полотна 8, шаг промывных отверстий ^ необходимую скорость и 0 и др.).

Анализ зависимости 0;/ио = £"(х/Г0; у/г0^ показал, что увеличение радиуса промывного отверстия Г0 ведет к увеличению ширины

/

Укрупненная блок-схема алгоритма расчета водовоздушчого

промывного устройства

Рисунок 5

струи и локальных скоростей и ¡/ио при постоянном значении напора питающего насоса Ннас. Однако увеличение Г0 ограничено подачей питающего насоса (Знас 11 соотношением площадей поперечного сечення напорной трубы и раздаточных отверстий, которое из условия равномерности распределения давления по длине трубы должно быть не менее 1,5-2,0. Улучшение характеристик промывной струи (Ц^, ширины О) получено с помощью эжекгирующих бездиффузорных насадков с центральным соплом и цилиндрической камерой смешения (рис. 6).

Расчетная схема гидроструйного промывного устройства

1 - ось напорной трубы; 2 - раздаточные отверстия; 3 - гидроструйные насадки; 4 - отверстия для забора эжекгируемой среды; 5 - сетчатое полотно; б - начальное сечение струи

Рисунок 6

В научной литературе вопросы теории и методы расчета бездиффузорных насадков рассмотрены достаточно подробно. Анализ существующих методов позволил в качестве расчетного принять уравнение Соколо-

ва-Зингсра 11 = ^Др^Арр; с!Г(/с1с), которое после ряда преобра-

зований можно представить в виде семейства кривых (рис. 7).

Обобщенные нормальные характеристики гидроструйного эжектирующего насадка

- ----кривая оптимальных режимов работы

Рисунок 7

Полученные зависимости позволили разработать методику расчета гидроструйного промывного устройства

Статистический анализ результатов лабораторных исследований гидроструйного промывного устройства (силы гидродинамического давления струи на сетку, ширины струи и распределения продольных скоростей) показал приемлемость методики расчета для проектирования.

В шестой главе приведены результаты расчетов и натурной апробации разработанных промывных и мусорозадерживающих устройств.

В соответствии с разработанными методиками были выполнены

расчеты параметров водовоздушного, гидроструйного и комбинированного промывных устройств для условий РЗС Азовского и Донского МК. Натурная апробация запроектированных устройств была осуществлена на Азовском МК в осенний период при перепаде температур воды и воздуха близком к нулю.

Установлено, что при температуре водной среды, равной или выше температуры воздуха эффективность водовоздушного промывного устройства на 10-20 % ниже эффективности гидроструйного, то есть нормативный показатель остаточного загрязнения сетчатого полотна (С < 0,2) достигается после 5-6 проходов гадроструйного промывного устройства, в то время как для водовоздушного - при числе проходов более 10.

Повышение эффективности очистки сетчатых полотен при различных температурных режимах было обеспечено комбинированным промывным устройством, расширение функциональных возможностей которого достигается путем увеличения гидродинамического воздействия в гидроструйном режиме и стабилизации процесса эжекгирования воздуха в водоноздушном режиме работы. Эксплуатация данного устройства показала удовлетворительные результаты по очистке сетчатого полотна

На водозаборе в Азовский МК была апробирована модификация му-сорозадерживающего устройства по патенту РФ 2023791 в виде фрагмента наплавного мусороотводящего лотка с гибким защитным полотном. Исследования показали приемлемую эффективность задержки и отвода мусора со всей глубины установки полотна.

Заключительные параграфы шестой главы посвящены разработке рекомендаций по компоновке селчатых рыбозащитных сооружений с му-сороотводящими и струйными промывными устройствами и внедрения их на водозаборах Азовского и Донского МК, Манычской НС № 1.

Конструкции промывных устройств по А С. 1629384 и патенту 2017881 внедрены на РЗС Донского и Азовского МК, Тиховского гидро узла. Федоровской ОС. НС № 1 Темркжовской ОС. НС № 2 ЧОРС, Афин ской НС № 10 ПАОС, НС № 1 Курчанской ОС.

Методики расчета и конструирования гидроструйных, водовоздуш ных и комбинированных промывных устройств внедрены в практику' про ектирования Кубаньпшроводхоза и Южводпроекта.

В работе намечены пути дальнейших научно-исследовательских ра бот по изучению промывных и мусороотводящих устройств.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ литературных и научно-технических источников показал что на водозаборах из малопроточных водоемов наиболее часто приме няются сетчатые рыбозащитные устройства, работа которых осложнен значительным содержанием взвешенного мусора отсутствием транзиты: течений и перепадов уровней воды для устройства самотечного мусороот вода, неэффективной предварительной мусорозащтой. Удаление крупно го мусора от фронта рыбозаградителя производится, в основном, механи ческим путем с грубых решеток, при этом незадержанные водоросли I более мелкий мусор налипают на сетчатые полотна Очистка сетчатых по верхностей производится, в основном, в продольном направлении гидро струйными и водовоздушными промывными устройствами, имеющим! ряд функциональных недостатков и эффективность работы которых зави сит от величины градиента температур воды и атмосферного воздуха.

2. Установленная эффективность исследованных сетчатых рыбоча щитных сооружении водозаборов Азовского и Донского МК. Манычско: НС № 1 ниже нормативной и составляет: дня молоди расчетного размера ■ 15,2-31,6 %; .тля всего размерного состава молоди рыб - 36.6-59,2

3. Установлена низкая эксплуатационная надежность систем промывки сетчатых рыбозащитных сооружений, повышение эффективности и надежности которых возможно при использовании дополнительных устройств мусороотведения и обеспечения качественной очистки сетчатых полотен.

4. Разработаны пять новых конструкций промывных устройств, три из которых защищены авторскими свидетельствами СССР 1629384, 1802040 и патентом РФ 20I788I и четыре новых конструкции мусороза-держивающих устройств, защищенных положительным решением 4937306/15 от 31.09.91 и патентами РФ 2023791,2029022,2026465.

5. Получены теоретические зависимости по определению кинематических и геометрических параметров затопленной водовоздушной осе-симметричной струи, на основе которых разработана методика расчета параметров водовоздушного промывного устройства

6. Получены теоретические зависимости по определению кинематических и геометрических параметров затопленной водяной осесиммет-ричной струи, на основе которых разработана методика расчета параметров гидроструйного промывного устройства.

7. Разработаны рекомендации по компоновке сетчатых рыбозащитных сооружений водозаборов Азовского и Донского МК, Манычской НС № 1 мусороотводящими и струйными промывными устройствами, натурная апробация которых осуществлена в условиях РЗС Азовского МК.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Михеев П.А., Волошков В.М., Вострова Л.И. Исследования рыбо-защитного устройства водозабора Миусской оросительной системы

//Рыбохозяйственные и русловые пгдротехнические сооружения: Сб. ст. - Новочеркасск, 1988. - С. 3-9.

2. A.C. СССР 1629384, МКИ Е 02 В 8/08. 9/04 Устройство для промывки сетчатого полотна рыбозащитного сооружения /Герман Г.М., Чистяков A.A., Шкура В Н., Реусов М.П. и Волошков В.М. (СССР). -4654844/15; Заявл. 10.01.89; Опубл. 23.01.91. Бюл. № 7.

3. Волошков В.М., Пурас Г.Н., Сукало Г.М. Пути повышения эффективности рыбозащитного сооружения Азовского магистрального канала //Экология и экономика Право. Концепции и модели: Межвуз. сб. ст. /РИОСКНЦ ВШ. - Ростов-на-Дону, 1992. - С. 97-104.

4. A.C. СССР 1802040, МКИ Е 02 В 8/08 Устройство для очистки сетчатого полотна рыбозащитного сооружения /Новойдарский A.B., Чистяков A.A.. Шкура В.Н. и Волошков В.М. (СССР). - 4928527/15; Заявл. 18.04.91; Опубл. 15.03.93. Бюл. № 10.

5. Пурас Г.Н., Сукало Г.М., Волошков В.М. Методика расчета промывного устройства с гидроструйными насадками. Тез. докл. конф. "Проблемы мелиорации и экологии Юга России", 1993. - С. 137.

6. Волошков В.М.. Сукало Г.М.. Пурас Г.Н. Обоснование реконструкции РЗУ Азовского МК. Тез. докл. конф. "Проблемы мелиорации и экологии Юга России, 1993. - С. 138.

7. Волошков В.М., Пурас Г.Н. Рекомендации по реконструкции рыбозащитного сооружения водозабора Манычской НС № 1 //Актуальные вопросы водного хозяйства и мелиорации: Сб. науч. тр. докторантов, аспирантов и соискателей /НИМИ. - Новочеркасск, 1994. - С. 72-73.

8. Волошков В.М., Сукало Г.М. Методика расчета комбинированного РЗУ //Актуальные вопросы водного хозяйства и мелиорации: Сб. науч. тр. докгорангов, аспирантов и соискателей /НИМИ. - Новочеркасск, 1994.

- С. 74-76.

9. Патент РФ 2017881 МКИ Е 02 В 5/08 Устройство для промывки сетчатого полотна рыбозащитного сооружения /Волошков В.М., Пурас Г.Н., Сукало Г.М., Шкура В.Н. - 4948103/15; Заявл. 24.06.91; Опубл. 15.08.94. Бюл. № 5.

10. Патент РФ 2023791 МКИ Е 02 В 5/08, 9/04 Сороудерживаю-щее устройство /Шкура В.Н., Анохин А.М., Чистяков A.A., Сукало Г.М., Пурас Г.Н., Волошков В.М. - 5009717/15; Заявл. 20.11.91; Опубл. 30.11.94. Бюл. № 22.

11. Патент РФ 2026465 МКИ Е 02 В 8/08 Рыбозащитное устройство водозаборного сооружения /Сукало Г.М., Чистяков A.A., Пурас Г.Н., Волошков В.М., Анохин A.M. - 5012288/15; Заявл. 10.07.91; Опубл. 09.01.95. Бюл. № 1.

12. Патент РФ 2029022 МКИ Е 02 В 8/08 Рыбозащитное устройство водозаборного сооружения /Сукало Г.М., Чистяков A.A., Волошков В.М.. Пурас Г.Н., Шкура В.Н. - 4953613/15; Заявл. 27.06.91; Опубл. 20.02.95. Бюл. № 5.

13. Анохин A.M., Волошков В.М. Сороудерживающее устройство для слабопроточных водоемов. Охрана и возобновление гидрофлоры и ихтиофауны: Сб. ст. /Отв. ред. Шкура В.Н., Михеев П.А. (Тр. /Акад. Водо-хоз. наук РФ. Вып. 1). - Новочеркасск: НГМА, 1997. - С. 21-24.

Подписано в печать 25.11.98 г. Тираж 100 экз. Заказ 161

Типография НГМА г. Новочеркасск, ул. Пушкинская, 111

•О ¡1

и

О О

/ /

Министерство сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации

НОВОЧЕРКАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕЛИОРАТИВНАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах руко:

ВОЛОШКОВ Виктор Мефодьевич

РЫБОЗАЩИТНЫИ КОМПЛЕКС ДЛЯ ВОДОЗАБОРОВ ИЗ НЕПРОТОЧНЫХ И МАЛОПРОТОЧНЫХ

ВОДОЕМОВ

Специальность: 05.23.07 - "Гидротехническое и мелиоративное строительство"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Сукало Г.М.

Новочеркасск -1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................... 6

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЫБО-ЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ НА ВОДОЗАБОРАХ ИЗ СЛАБОПРОТОЧНЫХ ВОДОИСТОЧНИКОВ..............,.... 10

1.1. Оценка условий работы водозаборов.................... 10

1.2. Конструкции рыбозащитиых устройств на водозаборах из слабопроточных водоемов............................. 21

1.3. Средства защиты водозаборов и сетчатых полотен рыбо-защитных сооружений от плавающего мусора........... 29

1.3.1. Мусороотводящие запани........................ 29

1.3.2. Воздушно-пузырьковые завесы................... 30

1.3.3. Мусорозащитные решетки....................... 34

1.3.4. Бесконечные фильтрующие полотна.............. 36

1.4. Анализ способов и конструктивных решений устройств

для очистки сетчатых полотен РЗС.................... 39

1.4.1. Очистка сетчатых полотен транзитным потоком... 39

1.4.2. Очистка сетчатых полотен промывными устройствами фронтального действия..................... 43

1.5. Заключение по обзору, цель и задачи исследований....... 48

2. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СЕТЧАТЫХ РЫБОЗАЩИТ-НЫХ СООРУЖЕНИЙ НА ДЕЙСТВУЮЩИХ ВОДОЗАБОРАХ.................................................... 54

2.1. Задачи и методика проведения исследований............ 54

2.2. Рыбозащитное сооружение на Азовском магистральном канале............................................... 59

2.2.1. Условия работы и конструкция РЗС................ 59

2.2.2. Оценка эффективности РЗС по защите молоди рыб

и надежности работы.............................. 62

2.3. Рыбозащитное сооружение Манычской насосной станции

№ 1................................................. 69

2.3.1. Условия работы и конструкция РЗС............... 69

2.3.2. Оценка эффективности РЗС по защите молоди рыб

и надежности работы............................ 75

2.4. Рыбозащитное сооружение Донского магистрального канала................................................ 80

2.4.1. Условия работы и конструкция РЗС............... 80

2.4.2. Оценка эффективности РЗС но защите молоди рыб

и надежности работы............................ 82

Выводы по главе......................................... 90

3. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ОЧИСТКИ СЕТЧАТОГО ПОЛОТНА РЗС И МУСОРООТВЕ-ДЕНИЯ................................................. 93

3.1. Конструкции промывных устройств с насадками......... 93

3.1.1. Водовоздушное промывное устройство............. 93

3.1.2. Гидроструйное промывное устройство............. 97

3.1.3. Установка для очистки поверхности сетчатого полотна при его демонтаже......................... 100

3.1.4. Конструкция промывного устройства с предварительным нагревом воздуха....................... 103

3.1.5. Конструкция промьюного устройства с системой обратных клапанов................................ 104

3.2. Конструкции эффективных средств для отвода плавающего мусора и молоди рыб от сетчатого полотна водозабора.. 106 3.2.1. Конструкция мусороотводящего лотка с защитным

экраном......................................... 106

3.2.2. Консольное мусорозадерживающее устройство с закрылком........................................ 109

3.2.3. Мусороотводящнй оголовок-сифон................. 112

3.3. Рыбозащитное устройство с дополнительными сетчатыми

элементами........................................... 117

Выводы по главе..............................................120

4. РАСЧЕТ ВОДОВОЗДУШНОГО ПРОМЫВНОГО УСТРОЙСТВА................................................... 122

4.1. Анализ существующих методов расчета водовоздушных струй............................................... 122

4.2. Постановка задачи исследований. Допущения............ 125

4.3. Расчет кинематических параметров промывной водовоз-душной струи........................................ 128

4.3.1. Расчет начального участка................................129

4.3.2. Расчет основного участка водовоздушной струи..... 135

4.4. Расчет траектории водовоздушной струи................ 139

4.5. Определение основных геометрических размеров воздушно-пузырькового шлейфа.............................. 145

4.6. Алгоритм расчета параметров водовоздушной затопленной осесимметричной струи........................... 148

4.7. Оценка результатов расчета........................... 150

Выводы по главе......................................... 151

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОСТРУЙНОГО ПРОМЫВНОГО УСТРОЙСТВА........................................... 154

5.1. Теоретическое обоснование. Постановка задачи. Допущения............................................................154

5.2. Расчет параметров гидроструйного промывного устройства.................................................. 161

5.3. Алгоритм расчета параметров гидроструйиого промывного устройства........................................ 165

5.4. Лабораторные исследования гидроструйного промывного устройства........................................... 169

5.4.1. Экспериментальная установка, задачи и методика исследований................................... 170

5.4.2. Расчет модели промывного устройства и результаты лабораторных исследований...................... 175

Выводы по главе......................................... 180

6. АПРОБАЦИЯ БАЗОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ...................... 181

6.1. Расчет параметров гидроструйного и водовоздушного промывных устройств для условий РЗС Азовского МК..... 181

6.2. Результаты натурной апробации промывных устройств... 188

6.3. Результаты натурной апробации мусороотводящего устройства с гибким полотном............................ 202

6.4. Рекомендации по компоновке сетчатых рыбозащитных сооружений с мусороотводящими и струйными промывными устройствами.................................. 207

6.5. Внедрение результатов исследований, перспективы дальнейших разработок промывных и мусороотводящих устройств, используемых в составе сетчатых рыбозащитных сооружений...................................... 215

Выводы по главе......................................... 216

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ......................................... 217

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................... 219

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................... 229

6 , ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований. Одним из актуальных вопросов современного гидротехнического строительства является создание высокоэффективных устройств для защиты молоди рыб от попадания в водозаборы различного назначения, низкая эффективность защиты которых изменяет условия естественного воспроизводства рыбных запасов. При отсутствии или низкой эффективности рыбозащитных сооружений гибель молоди рыб на водозаборах, объектах мелиорации, в насосных агрегатах достигает таких масштабов, которые не могут восполнить ни естественное воспроизводство, ни работа нерестово-рыбоводных комплексов.

Особенно сложно вопросы рыбозащиты решаются при заборе воды из малопроточных водоемов, которые характеризуются тепловым загрязнением, активным размножением водной растительности, отсутствием выраженной пространственно-временной структуры распределения молоди рыб при покатных миграциях. Основным средством рыбозащиты на таких водозаборах являются рыбозащитные устройства на базе сетчатых конструкций, работу которых усложняют большое количество плавающего мусора и отсутствие течений, обеспечивающих рыбомусороотведение. Продолжающийся водоотбор из таких водоемов потребовал поиска соответствующих решений. Эти обстоятельства и определили выбор темы научного исследования.

Работа выполнялась в рамках координационного плана ГКНТ СССР по заданию 06.01 "Разработать и внедрить комплекс мероприятий, рыбозащитных устройств и рыбопропускных сооружений для сохранения и воспроизводства рыб при энергетическом и водохозяйственном строительстве" проблемы 0.85.01. Тематика работы соответствует "Республиканской (федеральной) целевой научно-технической программе на

1992-1995 гг.", проблема 3.11/37.0 "Разработать новые высокоэффективные технологии и конструктивные решения по сохранению рыбных запасов в источниках орошения".

Целью работы является разработка конструкций и методик расчета промывных и мусороотводящих устройств сетчатых рыбозащитных сооружений, устраиваемых на водозаборах из слабопроточных водоемов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести исследование эффективности работы промывных и мусороотводящих устройств на действующих сетчатых рыбозащитных сооружениях;

- разработать эффективные конструкции промывных и мусороотводящих устройств, применяемых на сетчатых рыбозащитных сооружениях;

- разработать методики расчета и рекомендации по конструированию промывных и мусороотводящих устройств.

Материал и методика исследований. Задачи, поставленные в работе, решались аналитически с использованием математических методов теории струй и экспериментально - путем постановки натурных и лабораторных исследований с применением физического моделирования. Необходимая информация была получена в результате проведения натурных исследований рыбозащитных устройств Азовского и Донского МК, Манычской НС № 1, а также лабораторных исследований промывных устройств.

Натурные гидравлические исследования проводились по методикам, используемым в инженерной гидрологии, а ихтиологические - в соответствии с методическими указаниями по работе контрольно-наблюдательных пунктов Главрыбвода на водозаборных сооружениях.

Автор защищает :

- результаты анализа состояния эксплуатации рыбозащитных устройств на водозаборах из малопроточных водоисточников;

- результаты натурных исследований эффективности рыбозащитных устройств на водозаборах из малопроточных водоисточников;

- технические решения промывных и мусороотводящих устройств, применяемых на сетчатых рыбозащитных сооружениях;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанных устройств;

- методики расчета гидроструйного и водовоздушного промывных устройств;

- рекомендации по компоновке сетчатых рыбозащитных сооружений с мусороотводящими и струйными промывными устройствами.

Научную новизну работы составляют:

- технические решения промывных и мусороотводящих устройств, защищенных авторскими свидетельствами и патентами;

- результаты натурных и лабораторных исследований промывных и мусороотводящих устройств;

- аналитические зависимости и методики расчета гидроструйных и водовоздушных промывных устройств.

Практическую ценность работы составляют:

- разработанные и внедренные конструкции промывных и мусороотводящих устройств;

- методики, алгоритмы, рекомендации по расчету и компоновке промывных и мусороотводящих устройств для сетчатых рыбозащитных сооружений водозаборов из малопроточных водоемов.

Реализация и внедрение работы. Производственная проверка результатов исследований и внедрение разработанных конструкций осу-

ществлено на РЗС водозаборов Азовского и Донского магистральных каналов, Манычской НС № I, насосных станций Краснодарского края. Методики расчета и конструирования гидроструйного и водовоздушного промывных устройств внедрены в практику проектирования ГУ ПИ "Южводпроект", Кубаньгипроводхоза, Кубаньмелиоводхоза.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на конференциях молодых ученых и специалистов по водному хозяйству (г. Новочеркасск, 1992 г.), "Проблемы мелиорации и экологии Юга России" (г. Новочеркасск, 1993 г.), "Проблемы ирригации Ростовской области" (г. Новочеркасск, 1995 г.), Всероссийской научно-практической конференции "Экологические аспекты эксплуатации гидромелиоративных систем и использования орошаемых земель" (г. Новочеркасск, 1995 г.), "Экология и природопользование в Ростовской области" (г. Новочеркасск, 1996 г.).

Материалы диссертации доложены на кафедре гидротехнических сооружений НГМА в ноябре 1998 г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 13 печатных работ, из них 6 авторских свидетельств и патентов РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов и 15 приложений. Общий объем диссертации 275 страниц, в том числе 169 страниц машинописного текста, 82 рисунка, 19 таблиц, 45 страниц приложений и списка литературы из 122 наименований на 10 страницах.

Работа выполнялась на кафедре гидротехнических сооружений и отраслевой научно-исследовательской лаборатории технического обоснования проектов рыбопропускных и рыбозащитных комплексов НГМА.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЫБОЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ НА ВОДОЗАБОРАХ ИЗ СЛАБОПРОТОЧНЫХ ВОДОИСТОЧНИКОВ

Рост водопотребления, связанный с функционированием, промышленности, сельского и коммунального хозяйства, энергетики, обусловливает увеличение забора воды из внутренних водоемов. Вместе с водой захватывается молодь рыб, гибнущая впоследствии на полях орошения, в агрегатах насосных станций и воднотранспортных коммуникациях.

Проблема защиты рыб от гибели остается, несмотря на почти 100-летнюю историю, одной из наиболее актуальных проблем современного гидротехнического строительства Наиболее сложно вопросы защиты молоди рыб решаются на крупных бесплотинных водозаборах из слабопроточных водоемов при высокой концентрации мусора в водоисточнике.

1.1. Оценка условий работы водозаборов из слабопроточных водоемов

Изученность условий работы ответственных в отношении рыбоза-щиты водозаборов из слабопроточных водоемов с большим содержанием плавающего мусора недостаточна Это связано с индивидуальностью каждого конкретного решения и большим объемом затрат времени и средств при их обследовании. Отдельные сведения по оценке и анализу условий работы таких водозаборов и рыбозащитных устройств на них приведены в работах Павлова Д.С., Михеева П.А., Муравенко Г.С., Ну-сенбаума JIM., Мантейфеля Б.П., Барекяна А.Ш., Лупандина А.И., Мале-ванчика Б.С., Киселева-Цецхладзе В.Н., Фильчагова Л.П., Ряховской Г.Н., Цыпляева A.C., Бондаренко В.Л., Шкуры В.Н., Пураса Г.Н., Сукало Г.М. и

др. В определенной степени имеющуюся информацию дополнят приведенные ниже данные обследований, проведенные сотрудниками НИМИ с участием автора.

Все обследованные водозаборы расположены на малопроточных акваториях (в затонах, ковшах, ильменях, на подводящих каналах и др.).

Водозабор Олинской оросительной системы (Шелестова H.A., Па-рулава И.И., 1989) расположен в дельте р. Волга на подводящем канале ильменя Чада (рис. 1.1). В период максимального водопотребления производительность насосной станции равна 27 м3/с. Насосная станция имеет десять насосных агрегатов и оборудована цилиндрическими струереак-тивными рыбозаградителями (ЦСРЗ).

Отсутствие проточности в ильмене сказывалось на общей картине течений, которая характеризовалась односторонней направленностью векторного поля скоростей в сторону насосной станции. Устройство подводящего канала с двухсторонним подводом воды практически исключало возможность отвода молоди рыб из зоны влияния водозабора, в связи с чем у забральных окон происходило накопление молоди рыб и мусора. Концентрация достигала такой величины, при которой рыбозаградители на работающих агрегатах не выполняли защитных функций.

Средние скорости в подводящем канале в створах I-I и П-П равны 0,11-0,13 м/с. Двухмерные структуры течений (см. рис. 1.1) показывают, что во всей зоне водозабора созданы благоприятные условия для концентрации молоди. Гидравлическим условиям в зоне влияния водозабора присущи черты, свойственные плаванию молоди в потоках как с продольными, так и с поперечным градиентом скорости.

Перед всасывающими отверстиями скорости течения составляли 0,18-0,20 м/с, что больше крейсерских скоростей плавания для молоди рыб. Часть рыб размером 15-20 мм скатывалась в водоприемник.

Структура течений у Олинского водозабора (25 июня 1987 г.), М1:500

Рисунок 1.1

Анализ материалов исследований (табл. 1.1) показал, что эффективность РЗУ изменялась в среднем от 22 до 52 %.

Таблица 1.1

Результаты исследования эффективности ЦСРЗ Олинской НС

Общая Коли-

Дата Коли- произво- Размерный чество Эф-

и время чество дитель- состав, по раз- Концентрация, фек-

исследо- и мар- ность мм мерному шт/мэ тив-

вания ка насоса всех насосов, составу, шт. ность РЗУ,

м3/с у РЗУ на канале %

25.06.87 10 шт. 27,0 6-10 3 0,14 0,11 22,0

6-00 ОП6-87 11-15 - - - -

16-20 - - - -

20 и более j 51 1,57 0,42 67,4

12-00 10 шт. 27,0 6-10 - - - -

ОП6-87 11-15 - - - -

16-20 30 0,92 0,28 64,0

20 и более 7 u 0,22 0,08 58,5

18-00 10 шт. 27,0 6-10 - - - -

ОП6-87 11-15 - - - -

16-20 2 0,07 0,03 52,6

20 и более 5 0,15 0,10 30,7

12.07.87 10 шт. 27,0 6-10 - - - -

6-00 ОП6-87 11-15 - - - -

16-20 1 0,04 0,06 -

20 и более 21 0,90 0,13 78,7

12-00 10 шт. ОП6-87 27,0 6-10 11-15 16-20 20 и более 16 1 0,68 0,04 0,08 -

18-00 10 шт. 27,0 6-10 - - - -

ОП6-87 11-15 - - 0,01 -

16-20 1 0,04 0,01 69,0

20 и более 5 0,22 0,12 41,8

Водозабор насосной станции № 2 совхоза "Коммунар" производительностью 12 м3/с расположен в дельте р. Волга на протоке Табола и

снабжен четырьмя рыбозаградителями типа ЦСРЗ. Для задержания крупного мусора на входе в аванкамеры установлены сороудерживающие решетки.

На рисунке 1.2 показана компоновка сооружения и гидравлические характеристики потока в районе забора воды в миграционный период.

Плановая скоростная структура течений у НС № 2 совхоза "Коммун�