автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Совершенствование поликонтактного импульсного рыбозащитного устройства мелиоративных водозаборов

Министерство сельского хозяйства и продовольствия России Новочеркасская государственная мелиоративная академия

На правах рукописи 1

КИЯШКО ФЕДОР АФАНАСЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПОЛИКОНТАКТНОГО ИМПУЛЬСНОГО РЫБОЗАЩИТНОГО УСТРОЙСТВА МЕЛИОРАТИВНЫХ

ВОДОЗАБОРОВ

Специальность 05.23.07 - «Гидротехническое и мелиоративное строительство»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Михеев П. А.

профессор, канд. техн. наук

Новочеркасск-1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......... . 5

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТКИ, ИССЛЕДОВАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЫБОЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ ..................11

1.1 Состояние исследований по изучению воздействия электрического поля на рыб . . . . . . . . . 13

1.2 Анализ конструкций электрических рыбозащитных сооружений 17

1.3 Современные конструкции электрических рыбонаправляющих устройств ........... 29

Выводы по главе . . . . ... . . 33

2. КОМПОНОВКА ПОЛИКОНТАКТНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ РЫБОЗА-ЩИТНОЙ СИСТЕМЫ НА ВОДОЗАБОРАХ . . . . 35

2.1 - Назначение и конструкция поликонтактной импульсной рыбоза-щитной системы.......... 36

2.2 Принцип и основные особенности работы рыбозащитной системы «ПИРС»...............40

2.3 Компоновочно-конструктивные схемы размещения системы «ПИРС» на водозаборах ........ 45

Выводы по главе ......... 48

3. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЫБОЗАЩИТНОГО УСТРОЙСТВА НА ВОДОЗАБОРЕ ЧЕРНОЕРКОВСКОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ..........49

3.1 Объект, цель, задачи и методика натурных исследований . 49

3.2 Результаты гидрологических исследований условий деления потока на начальном участке водозабора ЧОС ..... 56

3.3 Основные результаты исследований рыбозащитной эффективности системы «ПИРС» на водозаборе ЧОС ...... 70

Выводы по главе . . . . . . . . . 76

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ РЫБОЗАЩИТНОГО УСТРОЙСТВА..........78

4.1 Теоретическое решение задачи деления потока ... 78

4.2 Расчет поля скоростей в зоне деления потока. ... 86

4.3 Обоснование параметров гидроплана системы «ПИРС». . 95

4.4 Лабораторные исследования по оптимизации размеров крыла гидроплана . . . . . . . . . .101

Выводы по главе . . . . . . . . .106

5. ВНЕДРЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПОЛИКОНТАКТНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ РЫБОЗАЩИТНОЙ СИСТЕМЫ НА МЕЛИОРАТИВНЫХ ВОДОЗАБОРАХ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ . . 107

5.1 Результаты исследований по внедрению «ПИРС» на водозаборе Петровско-Анастасиевской оросительной системы . . .107

5.2 Результаты внедрения рыбозащитного устройства на мелиоративных водозаборах Кубани . . . . . . .119

5.3 Основные технические и технологические требования по эксплуатации и обслуживанию системы «ПИРС» . . . .128 Выводы по главе . . . . . . . . .132

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..............133

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........136

л

ПРИЛОЖЕНИЯ....... . .146

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Использование водных ресурсов реки Кубани для целей орошения, водоснабжения, энергетики и судоходства привело к отрицательному воздействию на ихтиофауну, уменьшению рыбных запасов и, прежде всего, таких ценных промысловых рыб, как севрюгу, шемая, рыбец и др. По данным Кубанрыбвода в настоящее время на Кубани насчитывается более 400 водозаборов, из которых 77% мелиоративных. Только в нижнем течении Кубани объем водопотребления для сельскохозяйственных целей составляет 4,5 км3/год. В качестве рыбозащитных устройств (РЗУ) на водозаборах используются преимущественно сетчатые конструкции, которые при всех своих достоинствах обладают рядом существенных недостатков. Опыт использования сетчатых РЗУ на кубанских водозаборах, и особенно на крупных, показывает, что это не только дорогостоящие конструкции, но трудо- и энергоемкие в эксплуатации. К тому же, как показывают биологические исследования, рыбозащитная эффективность этих конструкций не превышает 35%, а от контакта с сетчатыми экранами гибнет пред-личинка и личинка донных рыб, и икра пелагофильных рыб. Таким образом проблема защиты ихтиофауны водоисточников при отборе воды для различных хозяйственных нужд является актуальной и требует поиска экологически целесообразных и экономически обоснованных решений.

Вместе с тем, исследования последних лет показали возможность эффективного применения принципиально иных конструкций рыбозащитных

устройств основанных на использовании электрических полей, что и предопределило выбор темы настоящего научного исследования.

Настоящая работа выполнена в соответствии с координационным планом ГКНТ СССР по проблеме 0.85.01, задание 06.01 «Разработать и внедрить комплекс мероприятий, рыбозащитных устройств и рыбопропускных сооружений для сохранения и воспроизводства рыб при энергетическом и водохозяйственном строительстве», Республиканской (федеральной) целевой научно-технической программой на 1992-95 гг. (проблема 3.11/37.0 «Разработать новые высокоэффективные технологии и конструктивные решения по сохранению рыбных запасов в источниках орошения»), Федеральной программой развития рыбного хозяйства РФ до 2000 года "Рыба", отраслевыми планами НИР Минрыбхозов СССР и России, комитета по рыбоводству МСХиП РФ.

Целью диссертации является исследование и совершенствование компоновочно-конструктивных решений и эксплуатации поликонтактной импульсной рыбозащитной системы (ПИРС) для мелиоративных водозаборов.

Задачи работы:

- анализ и оценка эффективности работы существующих конструкций электрических рыбозащитных устройств и применения, электрических полей для управления поведением рыб;

- разработка компоновочно-конструктивных решений электрического РЗУ с использованием импульсных электрических полей для мелиоративных водозаборов;

- натурные и лабораторные исследования по оптимизации параметров РЗУ и его элементов, оценки рыбозащитной эффективности для различных характеристик водоисточника и водозабора;

- теоретические исследования поля скоростей в зоне влияния водозабора для обоснования оптимального планового размещения РЗУ, конструирования и расчета параметров управляющих элементов;

- разработка рекомендаций по проектированию и эксплуатации РЗУ.

Методы исследований. При выполнении работы использованы экспериментальные и теоретические методы исследований. Натурные исследования выполнялись на базе известных в гидрометрии методик с использованием существующих приборов и оборудования, прошедших государственную аттестацию. Лабораторные эксперименты выполнялись в гидравлическом лотке на универсальной модели бесплотинного водозабора с использованием стандартного измерительного оборудования и методики физического моделирования гидравлических явлений.

Научную новизну работы составляют:

- предложения по усовершенствованию конструкции поликонтактной импульсной рыбозащитной системы;

- рекомендованные компоновочно-конструктивные схемы размещения РЗУ при бесплотинных мелиоративных водозаборах;

- результаты натурных и лабораторных исследований конструкции РЗУ и отдельных элементов;

- зависимости для расчета параметров РЗУ при различных условиях деления потока при боковом бесплотинном водозаборе;

- методика расчета планового размещения РЗУ и рекомендации по управлению параметрами конструкции при изменении режимов работы водозабора;

- аналитические зависимости и методика по расчету и оптимизации параметров управляющих элементов конструкции РЗУ.

Практическая значимость работы заключается в рекомендациях по проектированию и эксплуатации поликонтактной импульсной рыбозащит-ной системы в составе крупных мелиоративных водозаборов, обеспечивающей высокую эффективность защиты и выживаемость рыб размером более 12 мм.

Внедрение результатов. Производственная проверка и внедрение результатов работы осуществлено на водозаборах Петровско-Анастасиев -ской, Темрюкской, Федоровской, Черноерковской оросительных систем, водозаборе из Варнавенского водохранилища. При строительной и эксплуатационной стоимости исследуемой конструкции составляющей около 5% от стоимости сетчатых РЗУ, рыбозащитная эффективность составляет, для молоди рыб размером более 12 мм различного видового состава, в среднем более 80%. Исследуемая конструкция РЗУ и методика ее проекта-

рования внедрена в практику проектирования акционерного проектно-изыскательского института «Кубаньводпроект».

Апробация работы. В процессе работы над диссертацией основные результаты исследований докладывались на заседаниях научно-технических советов и комиссий департаментов по рыбному хозяйству и мелиорации

м

земель и сельскохозяйственному водоснабжению МСХиП РФ (Славянск-на-Кубани, 1994-97гг., Москва, 1996, 1997г., Красноярск 1998 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Экологические аспекты эксплуатации гидромелиоративных систем и использования орошаемых земель» (Новочеркасск, 1995г.), научно-технической конференции НГМА «Экология и природопользование в Ростовской области» (Новочеркасск 1996 г.), кафедре гидросооружений НГМА (Новочеркасск, 1995-98 гг.).

Личный вклад автора в совершенствование, исследование, расчет и оценку эффективности конструкции поликонтактной рыбозащитной системы определяется тем, что постановка проблемы, формулировка задач, поиск решений теоретическими и экспериментальными путями, а также приведенные в работе научные и практические результаты, их анализ и окончательные выводы выполнены лично автором диссертации. Электрическая часть РЗУ, разработана сотрудниками МП «УНИС» (г. Новороссийск) Л.В. Шмолиным и В.В. Шмолиным и не является предметом защиты в настоящей работе. Оценка рыбозащитной эффективности поликонтактного импульсного рыбозащитного устройства выполнялась совместно с научными сотрудниками Краснодарской группы АзНИИРХа.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений. Общий объем диссертации 154 страниц машинописного текста, включая 48 рисунков, 6 таблиц, список использованных источников из 86 наименований, в том числе 11 работ зарубежных авторов и 9 страниц приложений.

L. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯН ИЕ РАЗРАБОТКИ^ ИССЛЕДОВАНИЯ. И. ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЫБОЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ.

Решение проблем сохранения ихтиофауны внутренних водоемом, прежде всего имеющих важное промысловое значение, связано с деятельностью ряда научных коллективов страны в Москве, Санкт-Петербурге, Астрахани, Краснодаре, Новочеркасске, Ростове, Твери и др. Разработкой биологического обоснования защиты рыб при водозаборе занимались Б.П.Мантейфель, Г.В. Никольский, Л.М Нусенбаум, Д.С. Павлов, A.M. Пахоруков, А.Г. Подцубный, В.Р. Протасов, Д.В. Радаков, Н.Г. Дегтярева, В.И. Жидовинов, В.К. Нездолий, В.В. Сатаров, Л.П. Фильчагов и др. Технические вопросы проблемы решали А.Ш. Барекян, A.M. Болынов, А.Е. Ващинников, В.Н. Киселев-Цецхладзе, А.И. Лупандин, Б.С. Малеванчик, П.А. Михеев, И.В. Никоноров, В.В. Петрашкевич, A.C. Цыпляев, В.Н. Шкура, А.Л. Эрслер и др:

При разработке конструкции рыбозащитного устройства (РЗУ) и оценке его эффективности выживаемость молоди рыб после контакта с элементами сооружения является одним из основных показателей в оценке его надежности. В этой связи поиск конструкций РЗУ, осуществляющих защиту рыб от попадания в водозаборные сооружения без контакта с жесткими элементами устройств, является перспективным.

Из существующих в практике защиты рыб при водозаборе современных конструкций РЗУ выделяется тип направляющих устройств, основан-

ных на использовании отрицательной реакции рыб на изменения различных факторов среды обитания. Как правило, эти изменения носят градиентный характер, т.е. воздействие фактора среды на рыб усиливается по мере движения молоди в сторону опасной зоны водоема. В числе данного типа РЗУ выделяется группа электрических устройств, основанных на соз-

л

дании электрических полей, вызывающих болевые ощущения у рыб, отпугивая их и направляя за пределы действия устройства.

Изучению закономерностей поведения рыб в электрических полях, разработке и исследованию конструкций электрических рыбозащитных устройств посвящены работы отечественных авторов JI.A. Бадаева, Н.В. Бодровой, Г.П. Данюлите, Б.М. Драбкиной, М.А. Водовозовой, Б.В. Краюхина, Г.А. Мамониной, Г.М. Мишеловича, JI.M. Нуссенбаума, Ю.П. Никитина, Д.С. Павлова, A.M. Пахорукова, В.А. Страхова, Ю.Д. Тирзити-са, Л.П. Фильчагова, Г.К. Харчева, A.A. Хмелевского и др. а также зарубежных авторов Амова И.Г., Clay С., Harden Jons F.R., Holzer W., Lelek A., McMilan F.O., Elder H.Y., Pugh J.R., Trefethen P., Yibert R. и др.

Таким образом, в настоящее время заложены научные основы поведения рыб в электрических полях и существуют конструкции рыбозащитных устройств, использующих в своей основе закономерности воздействий таких полей на рыб.

1.1 Состояние исследований по изучению воздействия электрического поля на рыб

Электрические рыбозащитные устройства впервые применены в США в 20-е годы, когда опытами Ф. Мак-Милана были заложены научные основы использования электрических полей в целях защиты рыб. В зарубежной литературе известны работы В.Гользера, К.Клея, Р. Виберта и других, посвященные исследованиям электрических рыбозащитных устройств, а наибольшее распространение получили двухрядные конструкции устройств Ф.Мак-Милана и Т. Бэрки.

В отечественной практике первая конструкция электрического заградителя была разработана Г.К. Харчевым в 1935 г. для условий Туломского гидроузла. Однако всесторонние биологические исследования и конструкторские разработки начали проводится во второй половине 60-х годов (Балаев, 1968; Большаков, 1978).

В первых опытах по изучению воздействия электрического поля на рыб (McMillan, 1929; Holzer, 1931 а, б, Арнольд, 1933) было установлено, что:

- реакция рыб на действие электрического поля может выражаться настороженностью и стремлением избежать воздействия тока, состоянием раздражения, наркоза и оглушения;

- у различных видов рыб реакция на электрический ток наступает при различной разности потенциалов;

- для данного вида рыб, независимо от ее размера, требуется определенная разность потенциалов, под действием которой рыбы испытывают раздражение;

- состояние раздражения у рыб вызывается как с помощью постоянного, так и переменного тока.

Этими авторами введено понятие - критическое напряжение формы, это напряжение, которое оглушает рыбу. Величина критического напряжения формы выражается через шаговое напряжение и длину тела рыб. Однако механизм действия электрического поля на рыб авторами изучен не был.

В результате более поздних исследований 60-х, 70-х годов были выдвинуты ряд гипотез, объясняющих механизм воздействия электрического поля на организм рыб.

Первая гипотеза предполагает, что под воздействием электрического поля возбуждаются периферические рецепторные аппараты (Бодрова и Краюхин, 1961).

Согласно второй гипотезе, основная роль отводится центральной нервной системе (УШеП, 1967).

Наконец, третья гипотеза связывает реакцию рыб с полярным действием тока на автоматический локомоторный аппарат спинного мозга (Данюлите и Мамонина, 1967; Данилюте, 1974).

Однако, в настоящее время, каждая из этих гипотез, имея право на существование, не может однозначно объяснить механизм воздействия электрического поля на рыб. Очевидно, что это воздействие носит ком-

плексный характер на различные рецепторы рыб и прежде всего электрочувствительные рецепторы боковой линии, вызывая болевые ощущения, заставляя изменять направление своего движения и перемещаться за пределы зоны действия электрического поля. Причем степень испытываемых рыбой болевых ощущений увеличивается с увеличением напряженности

л

электрического поля (Павлов и Пахоруков, 1983).

Вместе с тем, в отличие от ранее полученных результатов (McMillan, 1929), было установлено, что электрическое поле неодинаково действует на рыб разного размерного состава. При этом, чем больше длина тела рыб, тем меньше напряжение поля необходимо создавать для воздействия на них. Таким образом, для устройства электрического рыбозаградителя величину напряженности электрического поля необходимо назначать для минимального размера рыб. Однако, в этом случае попадающие в зону влияния заградителя рыбы больших размеров подвергаются гибели. Для практического применения в проектах авторами (Нуссенбаум, Страхов, 1956,1958; Баранюк,1970; Павлов и Пахоруков, 1983; Фильчагов и др., 1983) приводятся параметры напряженности электрического поля и расстояние между электродами в зависимости от размерного состава рыб.

Чувствительность рыб к электрическому току в значительной степени зависит от физико-химических и кинематических параметров водотока (Мишелович, 1978 а,б). Так, пороговая реакция рыб на электрическое поле уменьшается с увеличением электропроводности воды и зависит от температуры и освещенности, а при увеличении скорости подходного потока

уменьшается эффективность электрозаградителя (Trefeten, 1968). О