CC BY
8ГИДРАВЛИКА И ИНЖЕНЕРНАЯ ГИДРОЛОГИЯ
Научная статья УДК 626.88
doi: 10.31774/2658-7890-2022-4-3-109-127
Гидрологическое обоснование проектирования пригидроузловых рыбоходно-нерестовых каналов на примере Кочетовского гидроузла на р. Дон
1 2 Виктор Николаевич Шкура , Алексей Викторович Шевченко
1 2Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск,
Российская Федерация
1VNShkura@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-4639-6448 2rigge1111@mail.ru, https://orcid.org/0000-0003-4839-6377
Аннотация. Цель: установление гидрологических характеристик при проектировании пригидроузловых рыбоходно-нерестовых каналов. Материалы и методы. Методологическую основу разработки составили известные подходы к определению гидрологических характеристик пригидроузловых участков рек, описывающих гидрологические условия создания и функционирования рыбоходно-нерестовых каналов. Фактологическую основу составили данные о значениях гидрологических характеристик р. Дон в пригидроузловой зоне Кочетовского гидроузла. Методическую основу составили технологии обработки гидрологической информации. Результаты и обсуждение. В качестве определяющих условий создания и функционирования пригидроузловых рыбоходных и рыбоходно-нерестовых каналов рассмотрены расходы и уровни р. Дон по створам верхнего и нижнего бьефов Кочетовского гидроузла. Установлены значения указанных гидрологических характеристик по данным 44-летних их посуточных измерений для различных уровней их обеспеченности при разной продолжительности сезонных периодов. В качестве временных периодов для анализа гидрологических характеристик рассмотрены различные варианты сроков нерестового хода и периодов работы гидроузла в пере-падном межбьефном режиме. Выводы. Произведена обработка и систематизация гидрологических данных по сезонным периодам наблюдений (разной продолжительности) за стоком р. Дон, и построены соответствующие графические зависимости для значений уровней воды в нижнем бьефе Кочетовского гидроузла. Обоснована целесообразность рассмотрения и использования при проектировании рыбоходных и рыбоходно-нерес-товых каналов в качестве расчетных уровенных и расходных гидрологических характеристик реки, определенных по периоду нерестового хода анадромных видов рыб и срокам функционирования гидроузла в перепадном режиме.
Ключевые слова: рыбоходно-нерестовый канал, гидрологические характеристики, гидрологический гидрограф, период гидрологических наблюдений, гидроузел реки
Для цитирования: Шкура В. Н., Шевченко А. В. Гидрологическое обоснование проектирования пригидроузловых рыбоходно-нерестовых каналов на примере Кочетов-ского гидроузла на р. Дон // Экология и водное хозяйство. 2022. Т. 4, № 3. С. 109-127. https://doi.org/10.31774/2658-7890-2022-4-3-109-127.
HYDRAULICS AND ENGINEERING HYDROLOGY
Original article
Hydrological substantiation of the design of fish passage and spawning channels near the waterworks on the example of the Kochetovsky waterworks facility on the river Don
© Шкура В. Н., Шевченко А. В., 2022
1 "2 Viktor N. Shkura , Alexey V. Shevchenko
1 2Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems, Novocherkassk, Russian Federation
1VNShkura@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-4639-6448 2rigge1111@mail.ru, https://orcid.org/0000-0003-4839-6377
Abstract. Purpose: to determine hydrological characteristics in the design of fish passage and spawning channels near waterworks. Materials and methods. The methodological basis of the development was the well-known approaches to the determination of the hydro-logical characteristics of the near-waterworks sections of the rivers, which describe the hydro-logical conditions for fish passage and spawning channel' creation and operation. The factual basis was data on the values of the hydrological characteristics of the river Don near the Kochetovsky waterworks facility. The methodological basis was technologies for processing hydrological information. Results and discussion. As the determining conditions for the creation and functioning of near-waterworks fish passage and fish passage and spawning channels, the discharges and levels of the river Don along the damside of the upstream and downstream of the Kochetovsky waterworks facility are considered. The values of the specified hydrological characteristics are determined according to the data of their 44-year daily measurements for different levels of their availability at different durations of seasonal periods. As time periods for the analysis of hydrological characteristics, various options for the period of the spawning run and the periods of waterworks operation in the drop interstream mode are considered. Conclusions. The processing and systematization of hydrological data on seasonal periods of observation (of different durations) of the river flow of the river Don was carried out, and the corresponding graphical dependences for the values of water levels in the downstream of the Kochetovsky waterworks facility were made. The expediency of consideration and use in the design of fish passage and fish pass-spawning channels as the calculated level and flow hydrological characteristics of the river, determined by the period of the spawning run of anadromous fish species and the operational time of the waterworks in drop mode is substantiated.
Keywords: fish passage and spawning channel, hydrological characteristics, hydrological hydrograph, period of hydrological observations, river waterworks facility
For citation: Shkura V. N., Shevchenko A. V. Hydrological substantiation of the design of fish passage and spawning channels near the waterworks on the example of the Kochetovsky waterworks facility on the river Don. Ecology and Water Management. 2022;4(3):109-127. (In Russ.). https://doi.org/10.31774/2658-7890-2022-4-3-109-127.
Введение. При разработке проектов пригидроузловых рыбоходных и рыбоходно-нерестовых каналов предусматривается проведение гидрологических изысканий для сбора гидрологических данных о пригидроузловом участке реки в месте предполагаемого устройства канала. В качестве гидрологи-
-5
ческих характеристик (величин) рассматриваются: расход реки (Q , м/с), уровни воды в типичных створах верхнего (ZB б, м БС) и нижнего (Zh6, м БС)
бьефов гидроузла и общий перепад уровней между бьефами (AZ, м). В результате аналитической (камеральной) обработки гидрологических данных для многолетних периодов их фиксации устанавливаются расчетные значе-
ния указанных гидрологических характеристик (величин). При этом за расчетные значения расхода, уровней верхнего и нижнего бьефов гидроузла и межбьефного перепада отметок поверхности воды принимаются их значения определенного уровня обеспеченности («определенной обеспеченности»). Принятые и действующие в настоящее время нормативы водопользования (использования водных ресурсов) внутренних водоемов (и рек, в частности), выраженные в процентах обеспеченности расходов водотоков (рек), составляют: для рыбного хозяйства - 75 %, для водного транспорта - 85 %, для
1 2
энергетики - 85 % и для коммунального водоснабжения - 97 % ' . Указанные нормативы приняты без учета хозяйственно-отраслевой значимости рек и, в частности, их важности для ведения рыбного хозяйства и воспроизводства рыбных запасов в особо значимых в рыбоводном отношении речных бассейнах [1, 2]. Действующие нормативы не учитывают экологического состояния реки, интенсивности антропогенной и хозяйственно-отраслевой нагрузки на водоток и на речной бассейн. Отметим, что буквальное применение указанных нормативов в условиях каскада низконапорных гидроузлов, оборудованных паводковыми и сборно-разборными плотинами (что имеет место на р. Дон), допускает возможность нефункционирования рыбоходно-нерестовых каналов при поднятых ферменно-щитовых (паводковых) плотинах в случаях пропуска через гидроузлы расходов от 75 до 85 % обеспеченности [3-6].
-5
В действующих нормативных материалах и известных разработках по учету гидрологических условий при проектировании пригидроузловых ры-
Укрупненные нормы водопотребления и водоотведения для различных отраслей промышленности / Совет экон. взаимопомощи, ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР. М.: Стройиздат, 1978. 590 с.
Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.02-85 [Электронный ресурс]: СП 31.13330.2021: утв. Минстроем России 27.12.21: введ. в действие с 28.01.22. URL: https:docs.cntd.ru/document/728474306 (дата обращения: 07.07.2022).
Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.06.07-87 [Электронный ресурс]: СП 101.1330.2012: утв. Минрегионразвития России 30.06.12: введ. в действие с 01.01.13. URL: https:docs.cntd.ru/document/1200095534 (дата обращения: 07.07.2022).
боходно-нерестовых каналов отсутствуют рекомендации по установлению расчетных значений вышеуказанных гидрологических характеристик (величин). В частности, некоторая неопределенность имеет место при установлении расчетного периода функционирования рыбоходного канала. В связи с этим отсутствует ясность в определении сроков (продолжительности периодов), в пределах которых необходимо устанавливать расчетные значения гидрологических величин. Отсутствие обоснованных рекомендаций по гидрологическим периодам привело к использованию при проектировании при-гидроузловых рыбоходных и рыбоходно-нерестовых каналов различных подходов к установлению расчетных гидрологических характеристик. Так, в проектах рыбоходно-нерестовых каналов Николаевского и Константиновско-го гидроузлов расчетные значения расходов и уровней воды устанавливались по данным гидрологических измерений за весь период гидрологического года. При проектировании рыбоходно-нерестового канала в составе Багаевско-го гидроузла на р. Дон за расчетный гидрологический период приняты сроки шлюзуемой навигации. В проекте Усть-Манычских рыбоходных каналов гидрологические расчеты проводились по срокам установки сборно-разборной плотины гидроузла. При предпроектной проработке рыбоходно-нерестового канала, устраиваемого в обход Кочетовского гидроузла, специалисты Ростовского отделения Гидрорыбпроекта при выполнении гидрологических расчетов рассматривали период нерестового хода рыб с 1 апреля по 31 июля, тогда как официальные сроки нереста определены с 01.04 по 01.07. Разные (сугубо авторские) подходы к оценке гидрологических условий создания и функционирования рыбоходных и рыбоходно-нерестовых каналов и к определению расчетных значений гидрологических характеристик, а соответственно и разные значения гидрологических величин, могли привести к недостаточно обоснованным проектным решениям и к снижению эффективности работы рыбопропускных сооружений [7-10]. Для прояснения ситуации с определением гидрологических характеристик (уровней и расходов), уста-
навливаемых с использованием вышеуказанных подходов, проведен соответствующий анализ их значений по данным гидрологических изысканий, проведенных в условиях Кочетовского гидроузла на р. Дон.
Материалы и методы. Фактологическую основу для анализа и разработки рекомендаций по оценке гидрологической ситуации и определению расчетных значений гидрологических величин составили данные ежесуточных измерений уровней воды в верхнем и нижнем бьефах Кочетов-ского гидроузла на р. Дон за период с 01.01.1997 по 31.12.2020. Методологическую основу исследования составили известные и общепринятые способы и технологии обработки гидрологических данных [11, 12].
Результаты и обсуждение. Учитывая известные подходы к оценке гидрологической обстановки на проектируемых и действующих рыбоходных и рыбоходно-нерестовых каналах, провели определение расчетных сроков (периодов) для сбора и анализа данных гидрологических изысканий. Для обработки и анализа исходных данных об уровнях и расходах воды в р. Дон в районе Кочетовского гидроузла к рассмотрению принято четыре наиболее характерных расчетных гидрологических периода:
1) период функционирования канала в сроки, определенные с даты установки паводковой плотины до 1 июля каждого года (как принятого срока окончания нерестового хода анадромных рыб по р. Дон);
2) период официально установленных сроков анадромных миграций и нереста особо ценных проходных и ценных полупроходных рыб по р. Дон, определяемый сроками с 1 апреля по 30 июня каждого года;
3) период, определяемый наиболее ранним сроком установки разборной паводковой плотины на Кочетовском гидроузле, отсчитываемый с 1 марта до официально принятого срока окончания нереста рыб - 30 июня;
4) период полного календарного года - с 1 января по 31 декабря.
До реализации первого варианта определения гидрологических характеристик был осуществлен сбор данных о сроках установки паводковой
плотины, ежегодно определяемых специалистами водного транспорта на основании данных о водности р. Дон, результатов прогнозирования паводковой ситуации и объемов накопления водных ресурсов в Цимлянском водохранилище. По данным об установке паводковой плотины на Кочетов-ском гидроузле выявлено, что в зависимости от гидрологической ситуации на р. Дон сроки установки «судоходной» плотины на гидроузле изменялись в широком временном диапазоне от 1-6 марта до 21-25 июня.
При обработке гидрологических данных по этому варианту расчетов была произведена выборка по их ежесуточным измерениям за период с даты установки плотины до даты завершения нерестового периода - 1 июля. За установленный временной период, определяющий срок функционирования рыбоходно-нерестового канала, формировалась выборка ежесуточных значений уровней и расходов воды по нижнебьефному створу Кочетовского гидроузла по каждому (из 43 лет) году наблюдений и определялись их сред-непериодные значения. Установленные значения уровней и расходов воды ранжировались в убывающем порядке, что позволило рассчитать их обеспеченности ( P, %) с использованием соотношения [8]:
n
P =--100%,
m +1
где P - обеспеченность уровней или расходов воды в реке, %;
n - порядковый номер расчетной гидрологической величины (расхода или уровня воды) ранжированно-рядовой последовательности;
m - количество значений гидрологической характеристики в ранжированном ряду, соответствующее количеству лет наблюдений.
Результаты статистической обработки данных о рассматриваемых гидрологических величинах (уровнях, расходах и перепадах уровней) в виде среднесуточных (по годам наблюдений) значений обеспеченности уровней воды в нижнем бьефе Кочетовского гидроузла за указанные выше временные периоды приведены в таблице 1 и на рисунке 1.
Таблица 1 - Данные о расходах и уровнях воды в нижнем бьефе
гидроузла за период с даты подъема плотины до 1 июля Table 1 - Data on discharges and water levels in the downstream
of the waterworks facility for the period from the date of dam raising till July, 1
Порядковый номер Год наблюдений Уровень воды ^.б. м БС Обеспеченность уровней P, % Расход гидроузла бг/у, М /с Перепад уровней Л7., м
1 2 3 4 5 6
1 1979 4,75 2,27 839,8 0,45
2 1994 4,37 4,54 733,6 0,83
3 1977 4,30 6,82 714,7 0,90
4 2004 4,28 9,09 709,3 0,92
5 2006 4,10 11,4 661,7 1,10
6 1978 4,08 13,6 656,5 1,12
7 2005 3,87 15,9 603,0 1,33
8 2018 3,81 18,2 855,0 1,39
9 2003 3,72 20,4 565,9 1,48
10 1980 3,71 22,7 563,4 1,48
11 1986 3,62 25,0 541,7 1,58
12 1982 3,51 27,3 515,5 1,69
13 1991 3,50 29,5 513,2 1,70
14 1993 3,47 31,8 506,2 1,73
15 1996 3,17 34,1 438,2 2,03
16 1999 3,14 36,4 431,7 2,06
17 2001 3,13 38,6 429,5 2,07
18 1988 3,12 40,9 427,3 2,08
19 1987 3,07 43,2 416,5 2,13
20 1983 3,05 45,4 412,2 2,15
21 2000 2,93 47,7 386,8 2,27
22 2010 2,87 50,0 375,4 2,33
23 1998 2,83 52,3 366,2 2,37
24 2007 2,75 54,5 349,9 2,45
25 1985 2,74 56,8 348,0 2,46
26 1997 2,73 59,1 346,0 2,47
27 2012 2,71 61,4 342,0 2,49
28 2008 2,70 63,6 340,0 2,50
29 1995 2,66 65,9 332,1 2,54
30 1990 2,58 68,2 316,6 2,62
31 2002 2,56 70,4 312,8 2,64
32 1992 2,40 72,7 288,8 2,80
33 2011 2,38 75,0 279,1 2,82
34 2013 2,34 77,3 271,9 2,86
35 2019 2,30 79,5 264,7 2,90
36 1989 2,29 81,8 262,9 2,91
37 2009 2,15 84,1 238,5 2,92
Продолжение таблицы 1 Continuation of the table 1
1 2 3 4 5 6
38 2014 2,14 86,4 236,8 2,94
39 1984 2,02 88,6 216,7 2,95
40 2017 1,90 90,9 197,3 2,97
41 2015 1,69 93,2 165,2 3,00
42 2016 1,68 95,4 163,8 3,06
43 2020 1,14 97,7 92,8 3,10
Значения уровней воды.
Рисунок 1 - График, характеризующий обеспеченность среднесуточных значений уровней воды в нижнем бьефе гидроузла за периоды от подъема плотины до 1 июля
Figure 1 - Diagram characterizing the availability of average daily values of water levels in the downstream of waterworks facility for periods from dam raising till July, 1
Данные по второму варианту гидрологических расчетов за период с 1 марта по 1 июля приведены в таблице 2 и иллюстрируются рисунком 2.
Результаты расчетов по третьему варианту периода (сроков) наблюдений приведены в таблице 3 и проиллюстрированы на рисунке 3.
Результаты расчетов по четвертому варианту расчетных сроков (за полный гидрологический год) приведены в таблице 4 и на рисунке 4.
Результаты сопоставления расчетных значений ZH б = f (P), установленных для различных периодов измерений уровней воды в нижнем бьефе Кочетовского гидроузла на р. Дон, приведены в таблице 5.
Таблица 2 - Значения обеспеченности уровней воды в нижнем бьефе гидроузла за период с 01.03 по 01.07
Table 2 - Values of water level availability in the downstream of the waterworks facility for the period from 01.03 till 01.07
Порядковый номер Год наблюдения Значение уровня ZR6., м БС Обеспеченность ( p ), % Порядковый номер Год на-блюде-ния Значение уровня Z,6., м БС Обеспеченность ( p ), %
1 1979 7,45 2,22 23 1983 3,07 51,11
2 1994 6,33 4,44 24 2001 3,04 53,33
3 1981 6,32 6,66 25 1997 3,00 55,56
4 1978 5,50 8,88 26 2000 2,97 57,78
5 2006 4,81 11,11 27 1995 2,90 60,00
6 1977 4,73 13,33 28 2002 2,89 62,22
7 2005 4,69 15,56 29 2007 2,86 64,44
8 1996 4,65 17,78 30 2008 2,84 66,67
9 2018 4,56 20,00 31 2012 2,68 68,89
10 1986 4,45 22,22 32 1990 2,57 71,11
11 2003 4,37 24,44 33 2009 2,48 73,33
12 1991 4,30 26,67 34 1992 2,46 75,56
13 1980 4,24 28,89 35 2014 2,41 77,78
14 2004 4,00 31,11 36 2011 2,39 80,00
15 1993 3,92 33,33 37 1989 2,29 82,22
16 1982 3,83 35,56 38 2013 2,26 84,44
17 1985 3,76 37,78 39 1984 2,23 86,67
18 1998 3,54 40,00 40 2019 2,16 88,89
19 2010 3,53 42,22 41 2015 1,68 91,11
20 1988 3,45 44,44 42 2017 1,64 93,33
21 1999 3,43 46,67 43 2016 1,58 95,56
22 1987 3,26 48,88 44 2020 1,10 97,78
I уровней воды,
Рисунок 2 - График Pi = f ( Zh6 ) для условий нижнего
бьефа гидроузла для периода от 01.03 до 01.07 Figure 2 - Diagram Pi = f ( ZH б) for the conditions of the downstream of waterworks facility for the period from 01.03 till 01.07
Таблица 3 - Обеспеченности уровней воды в нижнем бьефе гидроузла за период с 01.04 по 30.06
Table 3 - Water level availability in the downstream of waterworks facility
for the period from 01.04 till 30.06
Порядковый номер Год наблюдения Значение уровня Zн.б., М БС Обеспеченность уровней ( P ), % Порядковый номер од на- блю- дения Значение уровня Z,6. , м БС Обеспеченность уровней ( P ), %
1 1979 7,77 2,22 23 2001 3,12 51,11
2 1994 7,11 4,44 24 1998 3,10 53,33
3 1981 6,73 6,67 25 2000 2,96 55,56
4 1978 5,69 8,89 26 2002 2,95 57,78
5 2018 5,29 11,11 27 1997 2,79 60,00
6 2003 4,90 13,33 28 2007 2,78 62,22
7 2006 4,88 15,56 29 2008 2,77 64,44
8 2005 4,77 17,78 30 2012 2,67 66,67
9 1996 4,72 20,00 31 1990 2,65 68,89
10 1977 4,60 22,22 32 1995 2,60 71,11
11 1980 4,49 24,44 33 2009 2,47 73,33
12 1986 4,45 26,67 34 2019 2,45 75,56
13 1991 4,44 28,89 35 2013 2,41 77,78
14 1993 4,14 31,11 36 1992 2,36 80,00
15 2004 4,06 33,33 37 1989 2,32 82,22
16 1982 3,59 35,56 38 2011 2,26 84,44
17 2010 3,44 37,78 39 2014 2,12 86,67
18 1988 3,41 40,00 40 1984 2,06 88,89
19 1985 3,36 42,22 41 2015 1,70 91,11
20 1999 3,17 44,44 42 2016 1,67 93,33
21 1987 3,14 46,67 43 2017 1,36 95,56
22 1983 3,13 48,89 44 2020 1,10 97,78
100 . чО *
. 90 сц
a SO
и
£ 70
I 60
p 50
§ 40 к
I 30
I 20
Щ 1 A © 10
° 0
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 Значения уровней воды Zs.o., мБС
Рисунок 3 - Данные об обеспеченности уровней воды по нижнебьефному створу гидроузла для периода с 01.04 по 01.07
Figure 3 - Data on the water level availability along the downstream section of waterworks facility for the period from 01.04 till 01.07
Таблица 4 - Обеспеченности уровней воды в нижнем бьефе
Кочетовского гидроузла по периоду с 01.01 по 31.12
Table 4 - Water level availability in the downstream of the Kochetovsky waterworks facility for the period from 01.01 till 31.12
Порядковый номер Год наблюдения Значение уровня Zн.б., М БС Обеспеченность ( P ), % Порядковый номер Год наблюдения Значение уровня Zн.б. , М БС Обеспеченность ( P ), %
1 1979 4,83 2,2 23 1997 3,07 51,1
2 1981 4,49 4,4 24 2001 3,03 53,3
3 1978 4,28 6,6 25 1995 3,02 55,6
4 1994 4,21 8,9 26 2000 2,97 57,8
5 1977 4,04 11,1 27 2002 2,87 60,0
6 2005 4,01 13,3 28 2007 2,86 62,2
7 2006 4,00 15,6 29 2008 2,85 64,4
8 1982 3,89 17,8 30 2010 2,82 66,7
9 1980 3,69 20,0 31 1990 2,79 68,9
10 2004 3,58 22,2 32 1989 2,59 71,1
11 2003 3,54 24,4 33 1992 2,48 73,3
12 1996 3,53 26,7 34 2009 2,44 75,6
13 1986 3,42 28,9 35 2012 2,43 77,8
14 1991 3,35 31,1 36 2013 2,40 80,0
15 1993 3,26 33,3 37 1984 2,33 82,2
16 1998 3,20 36,6 38 2014 2,29 84,4
17 1999 3,18 37,4 39 2011 2,28 86,7
18 1988 3,17 40,0 40 2014 2,16 88,9
19 1985 3,16 42,2 41 2017 1,93 91,1
20 2018 3,15 44,4 42 2016 1,78 93,3
21 1983 3,10 46,7 43 2015 1,47 95,6
22 1987 3,08 48,9 44 2020 1,18 97,8
Рисунок 4 - График функции ZH б = f (p) по нижнему бьефу гидроузла за период с 01.01 по 31.12 текущего года Figure 4 - Diagram of the function ZH б = f (p) downstream of the waterworks facility for the period from 01.01 till 31.12 this year
Таблица 5 - Значения уровней воды в нижнем бьефе Кочетовского
гидроузла, определенные для различных периодов Table 5 - Water level values downstream the Kochetovsky waterworks facility, determined for different periods
В м БС In m BS
Расчетный период Значение отметки уровней воды ^ б для разного уровня их обеспеченности ( р, %)
10 % 15 % 25 % 50 % 75 % 85 % 90 %
С 01.03 по 01.07 5,15 4,69 4,36 3,17 2,46 2,24 1,92
От установки плотины до 01.07 4,19 3,92 3,62 2,90 2,39 2,20 2,04
С 01.04 по 01.07 5,49 4,88 4,48 3,12 2,45 2,22 1,88
С 01.01 по 31.12 4,16 4,00 3,54 3,07 2,44 2,29 2,05
Судя по данным расчетов, приведенным в таблице 5, значения среднесуточных уровней воды в нижнем бьефе Кочетовского гидроузла для уровней их обеспеченности от Р = 75 % до Р = 90 % отличаются незначительно, различия находятся в пределах ошибки измерений. С уменьшением значений обеспеченности от Р = 50 % до Р = 10 % и менее различия между значениями уровней воды по нижнебьефному створу гидроузла увеличиваются, что необходимо учитывать при выборе их расчетной величины.
Учитывая существенные отличия в значениях уровней воды в диапазоне обеспеченности менее 50 % и реальные (прогнозируемые) сроки функционирования Кочетовского рыбоходно-нерестового канала (увязанные со сроками подъема паводковой плотины и нерестового хода рыб по р. Дон), более обоснованным периодом для проведения гидрологических расчетов считаем период с 1 марта по 1 июля.
Рекомендуемые значения уровней, расходов и напоров на гидроузле для характерных уровней их обеспеченности приведены в таблице 6.
При проектировании рыбоходных каналов и оценке гидрологических условий их создания и функционирования (при «оценке гидрологической об-
становки») используются графики связи («кривая расходов» и «кривая уровней») между расходами и уровнями воды в определенном створе реки (как правило, по створу, трассируемому в нижнем бьефе гидроузла). Кривые расходов или уровней представляют собой графическое изображение взаимосвязи
-5
между расходом реки ( Q , м /с) и отметками уровней воды ( Zh6 , м БС), т. е. Q = f (ZHf5 ) или ZHf5 = f (Q ). Указанная связь между основными гидрологическими характеристиками (расходом реки и отметками водной поверхности) характеризуется высокой степенью корреляции (за исключением экстремальных случаев природно-климатического или техногенного характера -ветровых сгонов или нагонов, залповых сбросов воды и др.).
Таблица 6 - Рекомендуемые значения гидрологических величин для условий создания и функционирования Кочетовского рыбоходно-нерестового канала Table 6 - Recommended values of hydrological quantities for the conditions of creation and operation of the Kochetovsky fish passage and spawning channel
Гидрологическая величина Значение гидрологической величины для разного уровня обеспеченности ( Р, %)
10 15 25 50 75 85 90
"3 Расход реки (0 м /с) 890 780 705 440 295 250 180
Уровни воды в нижнем бьефе (2нб , м БС) 5,15 4,69 4,36 3,17 2,46 2,24 1,92
Перепад уровней (, м) 0,05 0,51 0,84 2,03 2,74 2,96 3,28
Примеры кривых расходов и уровней воды по створу нижнего бьефа Кочетовского гидроузла на р. Дон приведены ниже на рисунке 5
Использование функций = /(2нб) и 2нб = /(@р ) позволяет при
известных уровнях или расходах воды в расчетном гидрологическом створе реки установить значения расходов или уровней и их обеспеченности, что дает возможность в полном объеме охарактеризовать гидрологическую обстановку на объекте проектирования пригидроузлового рыбоходного канала в части расходно-уровневых параметров нижнего бьефа речного гидроузла.
а
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Отметки уровнен воды в нижнем бьефе Za б, мБС
б
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 Расход воды в нижнем бьефе м3/с
РисУнок 5 - Графики связи Qp = f (Z^) (а) и Z^6 = f (Q) (б) для условий нижнего бьефа Кочетовского гидроузла на р. Дон Figure 5 - Relationship graphs Q = f (Z^) (a) and Z^6 = f (Q) (b)
for the conditions of the downstream of the Kochetovsky waterworks
facility on the river Don
Кроме установления расходно-уровневых гидрологических характеристик пригидроузловой (преимущественно нижнегидроузлового участка реки) зоны реки при проведении гидрологических изысканий предусматри-
вается определение морфометрии русла (на участке предполагаемого расположения входного (для рыб) оголовка канала) и средних скоростей течения водного потока. Морфометрические параметры русла и средние скорости течения по выбранному створу определяются для всего диапазона расходов, протекающих по реке в период функционирования рыбоходного или рыбо-ходно-нерестового канала. Совместное использование данных о расходно-уровневых параметрах и морфометрии русла в створе предполагаемого расположения входного и выходного оголовков канала позволяет устанавливать значения средних скоростей течения по нижне- и верхнегидроузловым створам, необходимые для принятия проектных решений по параметрам и конструктивному исполнению сооружений канала. Результаты расчетов средних скоростей течения в русле р. Дон по верхне- и нижнебьефному створам Кочетовского гидроузла приведены в таблице 7.
Таблица 7 - Значения средних скоростей течения в нижне-
и верхнебьефном створах Кочетовского гидроузла
Table 7 - The values of the average flow velocities in downstream and upstream of the Kochetovsky waterworks facility
В м/с In m/s
Параметр Значение параметров при их разной обеспеченности Pi, %
10 15 25 50 75 85
Средняя скорость по нижнему створу Ун б 0,98 0,93 0,82 0,60 0,53 0,44
Средняя скорость по верхнему бьефу V в б 0,95 0,78 0,69 0,37 0,25 0,19
Резюмируя приведенные выше результаты анализа необходимых для проектирования рыбоходно-нерестовых каналов значений гидрологических величин, возможно определиться с методикой получения их расчетных значений, суть которой заключается в следующих ниже пунктах.
1 Осуществление сбора исходной гидрологической информации об уровнях и расходах воды для створа предполагаемого строительства при-
гидроузлового рыбоходного или рыбоходно-нерестового канала за многолетний период наблюдений по имеющемуся на реке водному посту.
2 Определение временного периода выборки исходных данных для проведения гидрологических расчетов среднесуточных значений расходов и уровней воды в реке, учитывающего сроки нерестового хода рыб и работы водоподпорных сооружений гидроузла в перепадном режиме (т. е. при наличии перепада отметок уровней воды между верхним и нижним бьефами гидроузла, значение которого превышает 0,1 м).
3 Установление обеспеченностей значений рассматриваемых гидрологических величин с использованием известных и общепринятых методик и приемов обработки полученной гидрологической информации.
4 При отсутствии данных наблюдений за расходами или уровнями воды в рассматриваемом гидрологическом створе могут использоваться графические зависимости, содержащие кривые расходов или уровней воды.
5 Комплекс гидрологической информации, необходимой для проектирования рыбоходных или рыбоходно-нерестовых каналов, предусматривает определение морфометрических параметров русла реки и средних скоростей течений на участках (в зонах) предполагаемого расположения входного и выходного (для рыб) оголовков канала.
Выводы
1 Произведен анализ и структуризация данных гидрологических наблюдений по сезонным периодам (различной продолжительности) за стоком р. Дон, и построены соответствующие графики, иллюстрирующие значения уровней воды в нижнем бьефе Кочетовского гидроузла.
2 Обоснована целесообразность рассмотрения и использования при проектировании рыбоходных и рыбоходно-нерестовых каналов в качестве расчетных уровенных и расходных гидрологических характеристик реки, определенных по периоду нерестового хода анадромных видов рыб и срокам функционирования гидроузла в перепадном режиме.
Список источников
1. Дубинина В. Г. Требования рыбного хозяйства при управлении режимами водохранилищ // Экосистемы: экология и динамика. 2019. Т. 3, № 1. С. 67-97.
2. Research on dams and fishes: Determinants, directions, and gaps in the world scientific production / H. R. Pereira, L. F. Gomes, H. O. Barbosa, F. M. Pelicice, J. C. Nabout, F. B. Teresa, L. C. G. Vieira // Hydrobiologia. 2020. Vol. 847. P. 579-592. https:doi.org/10.1007/s10750-019-04122-y.
3. Шкура В. Н. Рыбопропускные сооружения. М.: Рома, 1999. 729 с.
4. Шкура Вл. Н., Дроботов А. Н. Рыбоходные и рыбоходно-нерестовые каналы / Новочеркас. гос. мелиоратив. акад. Новочеркасск: НГМА, 2012. 203 с.
5. Чистяков А. А. Конструкции рыбоходных и рыбоходно-нерестовых каналов: учеб. пособие / Новочеркас. гос. мелиоратив. акад. Новочеркасск, 2004. 150 с.
6. Шкура Вл. Н. Рыбоводные мелиорации малых и средних степных рек (обоснование путей и средств их реализации): монография / Новочеркас. инж.-мелиоратив. ин-т Донского ГАУ. Новочеркасск, 2015. 198 с.
7. Анохин А. М., Калашников А. М., Лукьяненко М. В. Критерии оценки рыбопропускных сооружений // Инновационные процессы в научной среде: сб. ст. между-нар. науч.-практ. конф. Пермь, 2017. С. 63-67.
8. Анохин А. М., Копадзе И. З., Донцов А. А. Обеспечение безопасности прохода рыб на нерест на примере Кочетовского гидроузла на реке Дон // Безопасность техногенных и природных систем. 2018. № 3-4. С. 78-85.
9. Дандара Н. Т., Борисова И. А., Акимова Н. Н. Эколого-гидрологическое состояние пойменной территории Нижнего Дона и ее гидрографической сети на участке ниже Кочетовского гидроузла // Мелиорация и водное хозяйство. Перспективы развития мелиорации и водного хозяйства на юге России: материалы науч.-практ. конф., по-свящ. 125-летию со дня рождения акад. РАСХН Б. А. Шумакова / Новочеркас. инж.-мелиоратив. ин-т им. А. К. Кортунова Дон. гос. аграр. ун-та. 2014. С. 54-76.
10. Дандара Н. Т., Немыкина Д. Е. Гидрологический анализ реки Дон на участке ниже Кочетовского гидроузла: гидрографическая сеть, расходы, уровни и уклоны воды // Вестник современных исследований. 2018. № 5.3(20). С. 88-99.
11. Железняков Г. В., Неговская Г. А., Овчаров Е. Е. Гидрология, гидрометрия и регулирование стока. М.: Колос, 1984. 432 с.
12. Пономаренко Т. С., Бреева А. В. К вопросу автоматизации гидрологических расчетов // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. 2021. № 4(84). С. 65-69.
References
1. Dubinina V. G., 2019. Trebovaniya rybnogo khozyaystva pri upravlenii rezhimami vodokhranilishch [Requirements for fishery under water reservoir management]. Ekosistemy: ekologiya i dinamika [Ecosystems: Ecology and Dynamics], vol. 3, no. 1, pp. 67-97. (In Russian).
2. Pereira H. R., Gomes L. F., Barbosa H. O., Pelicice F. M., Nabout J. C., Teresa F. B., Vieira L. C. G., 2020. Research on dams and fishes: Determinants, directions, and gaps in the world scientific production. Hydrobiologia, vol. 847, pp. 579-592, https:doi.org/10.1007/ s10750-019-04122-y.
3. Shkura V. N., 1999. Rybopropusknye sooruzheniya [Fish Passage Structures]. Moscow, Roma Publ., 729 p. (In Russian).
4. Shkura Vl. N., Drobotov A. N., 2012. Rybokhodnye i rybokhodno-nerestovye kanaly [Fish Breeding and Fish Spawning Channels]. Novocherkassk State Land Reclamation Academy, Novocherkassk, NGMA, 203 p. (In Russian).
5. Chistyakov A. A., 2004. Konstruktsii rybokhodnykh i rybokhodno-nerestovykh kanalov:
uchebnoe posobie [Designs of Fish Passage and Fish Pass and Spawning Channels: textbook]. Novocherkassk State Land Reclamation Academy, Novocherkassk, 150 p. (In Russian).
6. Shkura Vl. N., 2015. Rybovodnye melioratsii malykh i srednikh stepnykh rek (obosno-vanie putey i sredstv ikh realizatsii): monografiya [Fish-breeding Reclamation of Minor and Medium Steppe Rivers (Substantiation of Ways and Means of Their Implementation): monograph]. Novocherkassk Land Reclamation and Engineering Institute of Don State Agrarian University, Novocherkassk, 198 p. (In Russian).
7. Anokhin A. M., Kalashnikov A. M., Lukyanenko M. V., 2017. Kriterii otsenki rybopropusknykh sooruzheniy [Assessment criteria for fish-pass structures]. Innovatsionnye protsessy v nauchnoy srede: sbornik statey mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii [Innovative Processes in the Scientific Environment: Proc. of International Scientific-Practical Conference]. Perm, pp. 63-67. (In Russian).
8. Anokhin A. M., Kopadze I. Z., Dontsov A. A., 2018. Obespechenie bezopasnosti prokhoda ryb na nerest na primere Kochetovskogo gidrouzla na reke Don [Providing safety of fish passing to spawning ground on the example of Kochetovsky waterworks facility on the river Don]. Bezopasnost' tekhnogennykh iprirodnykh sistem [Safety of Technogenic and Natural Systems], no. 3-4, pp. 78-85. (In Russian).
9. Dandara N. T., Borisova I. A., Akimova N. N., 2014. Ekologo-gidrologicheskoe sostoyanie poymennoy territorii Nizhnego Dona i ee gidrograficheskoy seti na uchastke nizhe Kochetovskogo gidrouzla [Ecological and hydrological state of the floodplain territory of the Lower Don and its hydrographic network in the area below the Kochetovsky waterworks facility]. Melioratsiya i vodnye khozyaystvo. Perspektivy razvitiya melioratsii i vodnogo khozyaystva na yuge Rossii: materialy nauchno-prakticheskoy konferentsii, posvyashchennoy 125-letiyu so dnya rozhdeniya akad. RASKHN B. A. Shumakova [Land Reclamation and Water Management. Prospects for Development of Land Reclamation and Water Management in the South of Russia: Proc. of scientific-practical conference, devoted to the 125th anniversary of the birth of Acad. RAAS B. A. Shumakov]. Novocherkassk Land Reclamation Engineering Institute named after A. K. Kortunov, Don State Agrarian University, pp. 54-76. (In Russian).
10. Dandara N. T., Nemykina D. E., 2018. Gidrologicheskiy analiz reki Don na uchastke nizhe Kochetovskogo gidrouzla: gidrograficheskaya set', raskhody, urovni i uklony vody [Hydrological analysis of the river Don in the area below the Kochetovsky waterworks facility: hydrographic network, flow rates, water levels and slopes]. Vestnik sovremennykh issledovaniy [Bulletin of Modern Research], no. 5.3(20), pp. 88-99. (In Russian).
11. Zheleznyakov G. V., Negovskaya G. A., Ovcharov E. E., 1984. Gidrologiya, gidrometriya i regulirovanie stoka [Hydrology, Hydrometry and Flow Regulation]. Moscow, Kolos Publ., 432 p. (In Russian).
12. Ponomarenko T. S., Breeva A. V., 2021. K voprosu avtomatizatsii gidrologicheskikh raschetov [On issue of hydrological computation automation]. Puti povysheniya effektivnosty oroshaemogo zemledeliya [Ways of Increasing the Efficiency of Irrigated Agriculture], no. 4(84), pp. 65-69. (In Russian)._
Информация об авторах
В. Н. Шкура - ведущий научный сотрудник, кандидат технических наук, профессор; А. В. Шевченко - младший научный сотрудник, аспирант.
Information about the authors
V. N. Shkura - Leading Researcher, Candidate of Technical Sciences, Professor; A. V. Shevchenko - Junior Researcher, Postgraduate Student.
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.
Все авторы в равной степени несут ответственность при обнаружении плагиата, самоплагиата и других нарушений в сфере этики научных публикаций.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article.
All authors are equally responsible for detecting plagiarism, self-plagiarism and other ethical
violations in scientific publications
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. The authors declare no conflicts of interests.
Статья поступила в редакцию. 04.07.2022; одобрена после рецензирования.15.07.2022; принята к публикации. 12.09.2022.
The article was submitted. 04.07.2022; approved after reviewing. 15.07.2022; accepted for publication. 12.09.2022.
