CC BY
17
- © Е.А. Ельчанинов, В.И. Коннов, 2014
УДК 504
Е.А. Ельчанинов, В.И. Коннов
МЕТОД РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДОВ ВОДЫ И КОНЦЕНТРАЦИЙ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ В РУСЛООТВОДНОМ КАНАЛЕ ПРИ ОТРАБОТКЕ РОССЫПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЗОЛОТА В ВОСТОЧНОМ ЗАБАЙКАЛЬЕ
Разработана методика поэтапной промывки руслоотводного канала такими расходами воды, при которых в расчетном створе на водотоке концентрация взвешенных веществ не превышает ПДК. Проработан порядок расчета параметров поэтапной промывки руслоотводного канала: определение гидравлических элементов и параметров руслоотводного канала при пропуске по нему расчетного расхода; определение глубины воды в канале Ь, при которой по каналу будет проходить расчетный расход 0; расчет допускаемых неразмывающей и незаиляющей скоростей Vнез; определение фактической скорости воды в канале.
Предлагаемый способ позволяет дать оценку качественного состояния водного объекта по содержанию взвешенных веществ в контрольном створе и его регулирование (управление) с учетом фактического и прогнозируемого состояния, с учетом экологического резерва (экологической емкости - возможности разбавления насыщенных взвешенными веществами вод канала речными водами). Ключевые слова: россыпные месторождения золота, водоток, взвешенные вещества, руслоотводной канал, водозаборный узел.
Разработка россыпных месторождений золота, строительство дорог, предприятий, сооружений железнодорожного транспорта всегда сопряжено с преобразованием ландшафта и изменением окружающей среды. Задача заключается в том, чтобы найти и реализовать такие технические и организационно-технологические решения при добыче полезных ископаемых открытым способом, строительстве объектов, которые обеспечат не только минимальные затраты природных ресурсов, но и предотвратят нарушение экологического равновесия, позволят достичь улучшения в целом экологической обстановки в регионе строительства.
При отработке россыпей, производстве различных видов работ в руслах рек (строительство дорог, мостов, гидротехническое строительство и т.д.) чаще всего приходится отводить водоток от места расположения объекта строительства. При значительных размерах канала и больших расходах воды в нем происходит интенсивный вынос взвешенных веществ в ненарушенную нижележащую часть русла реки. Это приводит к загрязнению водотока в контрольном створе реки. В качестве одного из методов исключения загрязнения водного объекта взвешенными веществами предлагается следующая методика расчета промывного режима. Расчетные положения методики основываются на широко известных трудах ученых, нормативной, методической и учебной литературе (С.Т. Алту-нина, Н.А. Архипова, А.С. Астахова, С.В. Басса, Н.Н. Бортина, М.И. Будыко, А.Г. Булавко, Н.А. Воронкова, И.Ф. Горошкова, В.И. Гуткина, И.А. Железняка, В.А. Знаменского, Е.Г. Жука, Н.И. Зубрева, Н.Н. Захаровской, П.Г. Кисе-
лева, К.П. Клибашева, Н.Н. Лаптева, И.И. Мазура, М.А. Михалева, А.И. Потапова, В.А. Рогалева, И.Д. Родзиллера, И.А. Шикломанова и др.).
Задача, решаемая предлагаемой методикой - исключение превышения предельно допустимой концентрации (ПДК) взвешенных веществ в контрольном створе водотока, а также нормативов допустимых сбросов (НДС) при отводе речного потока по руслоотводному каналу с учетом его смешения (разбавления) в нижележащей ненарушенной части реки в меженный период года при производстве работ непосредственно в русле реки [1].
Известно изобретение, предназначенное для очистки потока от взвешенных частиц в потоке и их разделения по крупности (см. А.с. № 1618824, М кл. 5Е 02В 8/02 от 07.01.91 г.). Конструкция, предложенная авторами изобретения, представляет собой серию парных перегородок, установленных в углублениях разного объема. Недостатком способа является то, что он не позволяет сохранить нормативное качество воды по взвешенным веществам в контрольном створе водотока и приводит к значительным материальным затратам.
Известен также способ для регулирования реки-водоприемника, который включает искусственное русло, сопряженное своими концами с естественным руслом водотока. Забор воды в искусственное русло осуществляется водорегулирующим сооружением. Паводки пропускаются по искусственному руслу, а расходы воды меженного периода - по естественному руслу реки (см. А.с. № 604891, М кл. 5Е 02В 3/02 от 07.11.90 г.). Недостатком этого способа является то, что сохранение меженного расхода воды не позволяет выполнять работы в русле реки. Например, строительство мостовых пролетов, быков, трубчатых переездов. Не учитывается также качество воды в контрольном створе водотока при взмучивании воды в реке. Этот способ применим для защиты территории от затопления и подтопления паводковыми водами реки без регулирования содержания взвешенных веществ в контрольном створе реки.
Предлагаемый нами способ прост в исполнении и исключает прямоточный способ водоснабжения проектируемого объекта, запрещенный к использованию «Правилами охраны поверхностных вод» и являющийся нерациональным способом использования водных ресурсов [2]. Затраты, необходимые для строительства сооружений, в предлагаемом способе будут минимальными по сравнению со способами, предусматривающими проектирование и строительство специальных сооружений для очистки воды от взвешенных частиц.
Сущность расчетов заключается в следующем. Предлагаемый способ позволяет выполнять любые виды работ в русле реки (строительство мостов, переездов, гидротехнических сооружений, добыча полезных ископаемых и др.) после отведения речного потока по руслоотводному каналу. Отведение речного потока в руслоотводной канал осуществляется поэтапно в подготовительный период. В этот период строительные работы в русле реки не ведутся. Цель поэтапного увеличения расхода воды от минимального до расчетного в рус-лоотводном канале - регулирование величины расходов воды и содержания взвешенных веществ в подготовительный период и выдерживание тем самым нормативных требований, предъявляемых к величинам концентраций взвешенных веществ в контрольных створах малых водотоков при отводе речного потока по руслоотводному каналу с учетом его смешения (разбавления) в нижележащей ненарушенной части реки в меженный период года.
При полном перекрытии русла реки струенаправляющей дамбой и отведении всего потока в руслоотводной канал, проложенный в неоднородных
грунтах, будет происходить размыв его дна и откосов. Взвешенные наносы определенного диаметра будут выноситься потоком из канала (процесс само-отмостки) и загрязнять воды реки. Для устранения этого явления предлагается выполнять поэтапный пропуск расходов воды (от минимального до расчетного) по руслоотводному каналу с проведением контроля качества воды по взвешенным веществам в контрольном створе водотока на каждом этапе.
К первому этапу промывки руслоотводного канала приступают после выполнения расчета, в котором устанавливают пропускаемые расходы на каждом этапе. Эти расходы назначаются такими, чтобы в контрольном створе реки не произошло превышение предельно допустимой концентрации (ПДК) взвешенных веществ. В канале выдерживается скорость потока превышающая незаиля-ющую. Регулирование расходов на водозаборном узле выполняется поднятием затвора на необходимую высоту, которая устанавливается по водомерной рейке. Для выполнения таких расчетов предлагается методика.
Первый этап выполняется в меженный (маловодный) теплый период года, когда проще всего осуществляется частичное перекрытие русла реки с целью создания подпора и направления части речного потока через водозаборное сооружение в руслоотводной канал. Конструкция водозаборного сооружения назначается с учетом выполнения условий наименьших затрат на его строительство и возможности регулирования и пропуска заданных расходов воды в руслоотводной канал.
Контроль качества воды производится отбором проб воды на химические анализы в контрольном створе в начале, середине и конце каждого этапа. Концом первого этапа будет являться момент, в котором концентрация взвешенных веществ в отобранной пробе воды будет меньше установленной для них ПДК.
На каждом этапе с помощью поднятия затвора на необходимую высоту на водозаборном сооружении по руслоотводному каналу пропускается такой максимальный расход, при котором в расчетном (контрольном) створе на водотоке концентрация взвешенных веществ не превышает ПДК. На каждом последующем этапе расход воды увеличивается, изменяются гидравлические элементы потока и должно соблюдаться то же условие - не превышение ПДК взвешенных веществ в контрольном створе водотока.
На последнем этапе по каналу должен быть пропущен расчетный расход воды, который назначается в зависимости от класса сооружения и срока его службы по СНиП 2.06.01-86 «Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования». Последний этап проводится в паводок, расход которого больше на 10% расчетного. На этом этапе завершается полное перекрытие русла реки струенаправляющей дамбой. После выполнения последнего этапа приступают к производству работ в русле реки.
Порядок расчета параметров поэтапной промывки руслоотводного канала заключается в следующем.
1. Определение гидравлических элементов и параметров руслоотводного канала при пропуске по нему расчетного расхода. Расчетный расход назначается в зависимости от класса сооружения и срока его службы. Гидравлический расчет выполняется по формуле равномерного движения потока (формула Шези):
О = (1)
где № - площадь поперечного сечения канала, м2; С - коэффициент Шези, м0,5/с; Я - гидравлический радиус, м; 1 - уклон дна канала;
С =1 Я",
п (2) где п - коэффициент шероховатости;
у = 2,Ъ4П - 0,13 - 0,75л/Я{4П - 0,1), (3)
= (В + то Ь) Ь, (4)
где В - ширина канала по дну, м; т0 - заложение откосов канала; Ь - глубина воды в канале, м;
X = В + 2Ь^11 + т0, (5)
где х - смоченный периметр, м.
я = м/х (6)
2. Определение глубины воды в канале Ь, при которой по каналу будет проходить расчетный расход 0.
3. Определение фактической скорости воды в канале
^ = (7)
4. Расчет допускаемых неразмывающей и незаиляющей скоростей V , V .
^ 1 1 доп' нез
Допускаемая неразмывающая донная скорость для однородных по крупности несвязных грунтов находится по формуле [3]:
^ Ро п м/с (8)
Допускаемая неразмывающая средняя скорость потока (V , м/с)
^ = (^УЩРоПп[^ -Ро^ + • м/с (9)
где р2, р0 - плотность материала частиц соответственно несвязного грунта и воды, кг/м3; d - средний диаметр частиц грунта, м; Снун - усталостная прочность на разрыв несвязного грунта, Па.
При этом должно выполняться следующее условие
^нез < ^фак < ^допнер (10)
Если это условие выполняется, то производятся расчеты первого этапа промывки:
а) от общего расхода воды в реке 0об часть отводится в руслоотводной канал - 0к1 и в реке остается - 0р1. Величина 0к1 назначается подбором таким образом, чтобы этот расход был максимальным, но при этом должно выполняться условие т1 > р1 (расчет т1 и р1 приводится далее).
Определяются гидравлические элементы и параметры поперечного сечения руслоотводного канала и реки для расходов 0к1 и 0 фактические скорости V. и V для каждого расхода и сравниваются с допускаемой неразмывающей
фак нез 11 ^ 1
скоростью V ;
1 доп.нер.'
б) определяется допустимая к сбросу концентрация взвешенных веществ в воде канала для отдельных выпусков без учета некосервативности для условий Забайкалья:
= р(аОР / Ок + 1)Ь,
(11)
где р - допустимое по санитарным правилам увеличение содержания взвешенных веществ в водном объекте после сброса воды в реку по каналу; Ь - фоновое содержание взвешенных веществ в воде реки, г/м3; а1 - коэффициент смешения,
1 -1 - ^
1 + 1-
-\к
ок (12)
где ¿1 - коэффициент, учитывающий гидравлические условия в реке; L - длина, на которую удален контрольный створ от места, где происходит слияние вод реки и руслоотводного канала, м,
¿1 = гкц
г д ^1/3
V О! у
(13)
где Е - коэффициент, зависящий от места выпуска сточных вод; Ки - коэффициент извилистости реки; 01 - коэффициент турбулентной диффузии, м2/с;
Ц = gVl ^/(37^2), (14)
где д - ускорение свободного падения; У1 - фактическая скорость воды в реке при 0к1, м/с; Ь1 - глубина воды в реке при 0к1, м; пр - коэффициент шероховатости; С1 - коэффициент Шези для реки при 0к1, м0,5/с;
в) определяется транспортирующая способность канала р1 для условий пропуска расхода 0к1:
Р1 = 700(Vl / И/^ТЯА, при 2 мм/с < < 8 мм/с; (15)
Р1 = > при 0,4 мм/с < < 2 мм/с, (16)
где - гидравлическая крупность частиц среднего диаметра (мм/с); У1 - скорость течения воды в канале, м/с; Я1 гидравлический радиус канала, м; 1н, ^ -уклон дна канала;
г) сравнение допустимой к сбросу концентрации взвешенных веществ в воде канала т1 и транспортирующей способности канала р1 при заданных 0к1 и 0р1. Величина 0к1 назначается таким образом, чтобы этот расход был возможно максимальным, но при этом должно выполняться условие т1 > р1.
После проведения 1 этапа промывки увеличиваеется расход воды в русло-отводном канале и осуществляется 2 этап с повторением расчетов, указанных ранее. Количество этапов промывки будет зависеть от количества промывных расходов воды, на которые делится расчетный расход Qp.
В результате исследования получен следующий вывод: разработана методика поэтапной промывки руслоотводного канала такими расходами воды, при которых в расчетном створе на водотоке концентрация взвешенных веществ не превышает ПДК. Предлагаемый способ позволяет дать не только оценку качественного состояния водного объекта по содержанию взвешенных веществ в контрольном створе, но и его регулирование (управление) с учетом фактического и прогнозируемого состояния, с учетом экологического резерва (экологической емкости - возможности разбавления насыщенных взвешенными веществами вод канала речными водами). Разработанная методика может быть использована проектными организациями и государственными природоохранными органами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Караваев И.И., Клубков В.И., Богданов М.В. Методические указания по проектированию очистных сооружений и оборотных систем водоиспользования для предприятий железнодорожного транспорта. - М.: ВНИИЖТ, 1994.
2. Коннов В. И. Экологическая оценка и мероприятия по защите от загрязнения малых рек Восточного Забайкалья. - Чита: ЧитГУ, 2006. - 126 с.
3. Справочник по гидравлическим расчетам / Под ред. П.Г. Киселева. - М.: 1972. ггттгт^
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Ельчанинов Евгений Александрович - доктор технических наук, профессор, МГИ НИТУ «МИСиС», e-mail: ud@msmu.ru,
Коннов Василий Иванович - кандидат технических наук, доцент, декан заочного факультета, e-mail: konnov@zab.megalink.ru, ЗабИЖТ ИрГУПС.
UDC 504
CONTROL METHOD FOR WATER FLOW RATE AND SUSPENDED SOLID CONCENTRATION IN OFFTAKE CHANNELS IN GOLD PLACER MINING IN THE EAST TRANSBAIKALIA
El'chaninov E.A., Doctor of Technical Sciences, Professor,
Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS»,
e-mail: ud@msmu.ru,
Konnov V.I., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Dean of Correspondence Faculty, e-mail: konnov@zab.megalink.ru, Transbaikalian Railway Transport Institute,
a branch of Irkutsk State Railway Transport Engineering University.
A procedure of stagewise ablution of an offtake channel at water flow rate such that suspended solid concentration at the control points of the passage is below the maximum allowable concentration value has been developed. The elaborated sequence of calculation of the stagewise offtake channel ablution parameters is: specification of hydraulic elements and parameters of the offtake channel under the estimated flow rate; finding depth h of water in the channel at the estimated water flow rate Q; calculation of allowable noneroding velocity Verod and self-cleansing velocity Vclean; determination of actual water flow velocity in the channel.
The proposed method allows estimation and control of the quality condition of a water body by the suspended solid content at the control points, taking into account the actual and forecasted state and ecological backup (ecological capacity - potential reduction of the suspended solid content in the channel water by intermixing with river water).
Key words: gold placers, passage, suspended solids, offtake channel, diversion station.
REFERENCES
1. Karavaev I.I., Klubkov V.I., Bogdanov M.V. Metodicheskie ukazaniya po proektirovaniyu ochistnykh sooruzhenii i oborotnykh sistem vodoispol'zovaniya dlya predpriyatii zheleznodorozhnogo transporta (Instructional guidelines on sewage disposal plant and circulating water supply design for railway transportation facilities), Moscow, VNllZhT, 1994.
2. Konnov V.l. Ekologicheskaya otsenka i meropriyatiya po zashchite ot zagryazneniya malykh rek Vostochnogo Zabaikalya (Ecological evaluation and contamination protection management for small rivers of the East Transbaikalia), Chita, ChitGU, 2006, 126 p.
3. Spravochnik po gidravlicheskim raschetam. Pod red. P.G. Kiseleva (Handbook on hydraulic design, Kiselev P.G. (Ed.)), Moscow, 1972.
