CC BY
174
_ ПРОБЛЕМЫ ЯДЕРНОЙ, РАДИАЦИОННОЙ _
- И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ -
УДК 621.762
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ ВОДОЗАБОРНЫХ СООРУЖЕНИЙ С ЦЕЛЬЮ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РЫБОЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ
© 2015 г. В.Г. Ткачев, Л.В. Постой
Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», Волгодонск, Ростовская обл.
Практический интерес к данной научной работе заключается в разработанных рекомендациях по проектированию и эксплуатации гидравлического промывного устройства и методике расчета геометрических размеров зоны очистки фильтрующего полотна. Результаты исследований, могут представлять интерес при реконструкции рыбозащитных сооружений на различных водозаборах.
Ключевые слова: гидромелиорация, биоценоз, рыбозащитные устройства, водовоздушная установка, струйные промывные устройства.
Поступила в редакцию 28.05.2015
Современный подход к использованию природных ресурсов, отраженный в Конституции РФ, также Федеральном законе от 20.12.2004 №166-ФЗ (ред. от 02.05.2015) «О рыболовстве и сохранении водных биологических ресурсов», Федеральном законе от 10.01.2002 №7-ФЗ (ред. от 24.11.2014, с изм. от 29.12.2014) «Об охране окружающей среды» (с изм. и доп., вступ. в силу с 01.01.2015) (ст. 3), Федеральном законе от 24.04.1995 № 52-ФЗ (ред. от 07.05.2013) «О животном мире» (ст. 22) и других законодательных документах РФ, предусматривает комплексное обеспечение всех связанных с ними направлений развития народного хозяйства и охрану окружающей среды. При обеспечении запросов и интересов таких водохозяйственных комплексов, как гидромелиорация, гидроэнергетика, водный транспорт, рыбное хозяйство и др. самым зависимым является биоценоз, составной частью которого является ихтиофауна.
Активная хозяйственная деятельность неразрывно связана с увеличением водопотребления. Значительное количество воды забирается из рек и озер, имеющих рыбохозяйственное значение, в том числе из Волги, Дона, Кубани, Терека и др., в которых обитают ценные промысловые виды рыб. Как показывают прогнозы, в ближайшее время объемы водопотребления будут только расти, в этой связи особенно актуальной является проблема защиты рыбы от попадания в водозаборы. Таким образом, строительство и эксплуатация водозаборов без рыбозащитных сооружений не допускается. Нормы и правила проектирования и строительства рыбоохранных сооружений регулируются СП 101.13330.2012 Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.06.07-87.
Разработка рыбоохранных мероприятий при проектировании водозаборов является обязательным условием СП 31.13330.2012 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.02-84*. При проектировании и эксплуатации водозаборных сооружений приходится учитывать два основных аспекта:
©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2015
экологический (предупреждение попадания рыб в водозаборы) и технический (очистка речной воды, содержащей растения, мусор и другие механические включения).
В последнее время предпочтение отдается специальным механическим способам рыбозащиты, к числу которых относятся сетные установки различных типов. Применение их в составе водозаборных сооружений может гарантировать эффективную защиту рыб. Существует несколько заслуживающих внимания видов конструкций рыбозащитных сетных установок. Особый интерес представляют рыбозащитные устройства (РЗУ) с гидравлической очисткой фильтрующих полотен.
Независимо от конструктивного исполнения сетчатое рыбозащитное устройство обеспечивает достаточно надежную и эффективную рыбозащиту, если геометрические параметры фильтрующего полотна и скорость течения вблизи его являются оптимальными (удовлетворяющими экологическим требованиям) и имеется возможность организации мусоро-рыбоотвода (эколого-технический аспект). Наиболее эффективными являются рыбозащитные устройства с гидравлической очисткой фильтрующих (сетных) полотен в составе с мусоро-рыбоотводящим трактом. Такие сооружения по пропускной способности охватывают весь диапазон расходов воды, в котором работают водозаборы в настоящее время.
Одним из основных элементов сетных рыбозащитных сооружений, обеспечивающих бесперебойную и нормальную работу, является промывное устройство. К настоящему времени разработан ряд различных конструкций промывных устройств, основным элементом которых является водоструйная или водовоздушная установка, подающая систему струй из отверстий на поверхность сетчатого полотна. Имеются достаточно глубоко разработанные основы их проектирования и эксплуатации (Цыпляев А.С., Ефремкина Л.В., Волошков В.М. и др.). Однако задача оптимизации промывных устройств РЗУ с целью улучшения их эколого-технических качеств остается по-прежнему актуальной.
В общей постановке промывное устройство РЗУ должно обеспечивать очистку поверхности фильтрующего полотна от мусора и отведение биологического объекта, в данном случае рыб, на безопасное расстояние. Очевидно, что для безопасного снятия малька с поверхности фильтрующего полотна требуется значительно меньше энергии, чем для очистки полотна от мусора. Помимо этого использование тканных или сетных полотен в качестве рыбозаграждающего элемента, в совокупности с нарушением на практике технологических требований эксплуатации РЗУ, способствует постепенному «зарастанию» фильтрующих полотен. Для очистки их требуется количество энергии, превосходящее по значению безопасный (для рыбы) уровень. Прогрессивным решением проблемы очистки фильтрующих полотен РЗУ струйными промывными устройствами является комплексный подход, включающий в себя следующие основные этапы:
- выбор способа очистки поверхности фильтрующих полотен;
- разработка конструкции промывного устройства;
- оптимизация параметров промывного устройства;
- разработка эффективных конструкций фильтрующих полотен;
- оптимизация технологической схемы эксплуатации РЗУ.
Целью исследования является выбор наиболее эффективного способа гидравлической очистки фильтрующих полотен РЗУ, обоснование выбора и реализация на его основе конструкции промывного устройства; а также разработка рекомендаций по проектированию и эксплуатации устройства.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
- обосновать способы промывки фильтрующих полотен РЗУ скользящими гидравлическими (водяными) струями;
- проанализировать методы расчета скользящих гидравлических струй;
- разработать конструкции гидравлического промывного устройства;
- провести экспериментальные исследования скользящей турбулентной струи;
- разработать методы гидравлического расчета параметров скользящей водной турбулентной струи;
- выработать рекомендации по проектированию и эксплуатации гидравлического промывного устройства.
Для этого необходимо детально разработать способ и конструкцию гидравлического промывного устройства для очистки фильтрующих полотен рыбозащитных устройств скользящими струями; провести гидравлические испытания по очистке фильтрующих полотен осесимметричными турбулентными струями, формирующимися вблизи водопроницаемого экрана; вывести теоретические и экспериментальные зависимости для определения параметров скользящей водной турбулентной струи; разработать методику расчета параметров скользящей промывной струи и зоны очистки фильтрующего полотна; разработать рекомендации по проектированию и эксплуатации гидравлического промывного устройства с системой скользящих струй.
В настоящее время широкое распространение нашли РЗУ с фильтрующим элементом, который является непреодолимым препятствием для молоди рыб. Обзор таких конструкций РЗУ представлен в работах Петрашкевича В.В., Маливанчика Б.С., Никонова И.В., Лапшенкова В.С., Рипинского И.И., Михеева П.А. и др. Наиболее удобным и распространенным фильтрующим элементом является фильтрующее полотно (ФП), которое может быть выполнено в виде сетки или перфорированной поверхности. Опыт эксплуатации РЗУ, в состав которых входит в качестве рыбозаграждающего элемента ФП, позволяет выделить ряд причин, снижающих эффективность работы сооружения. К ним следует отнести:
- неэффективный способ очистки фильтрующего полотна;
- отсутствие надежного механизма отвода молоди рыб и мусора от внешней (напорной) стороны ФП;
- неоптимальные режим работы и характеристики промывного устройства (ПУ);
- неравномерность промывки фильтрующего полотна.
В результате анализа механизма работы РЗУ можно выделить следующие основные способы промывки фильтрующего полотна:
- течением в водоеме;
- гидравлическими или водовоздушными струями;
- различными механическими приспособлениями.
Если для промывки используется энергия движения воды в водоеме, то фильтрующее полотно, как правило, приводится в движение, либо предусматриваются специальные конструктивные элементы, обеспечивающие периодическое возникновение противотока через ФП. В том случае, когда фильтрующее полотно неподвижно, промывка обычно осуществляется струйными промывными устройствами.
Как правило, промывка фильтрующего полотна осуществляется гидравлическими струями, направленными нормально к его поверхности или под некоторым углом с противоположной (безнапорной) стороны. Очищение ФП осуществляется за счет гидродинамического воздействия струи на мусор и молодь рыб, а именно, получив импульс, частицы удаляются от фильтрующего полотна, преодолевая скорость течения в потоке. Для очистки больших площадей ФП используют многосопловые аппараты, которые представляют собой отрезок трубы с отверстиями (соплами) вдоль длины, устроенными с определенным шагом и диаметром, но основным недостатком таких
конструкций является наличие повторного оседания смытых частиц мусора и молоди рыб на фильтрующем полотне, если не осуществлена организация мусоро-рыбоотвода (МРО).
Проведенные эксперименты убедительно свидетельствуют о преимуществе способа промывки фильтрующего полотна водовоздушными струями перед гидравлическим способом. За счет эффекта флотации пузырьки воздуха увлекают к поверхности водного потока смытые с поверхности фильтрующего полотна частицы мусора и молоди рыб, что в некоторых случаях упрощает процесс их отвода. Помимо этого, водовоздушные струи оказывают на рыб отпугивающие действия за счет звуковых и динамических колебаний.
К недостаткам этого устройства следует отнести следующие:
- сложность конструкции струеформирующего насадка, требующая достаточной точности изготовления (например: нарушение соосности отверстий может привести к выходу из строя установки);
- газонасыщенность водовоздушных струй зависит от глубины погружения насадка, что определяет неравномерность газонасыщения струи в вертикальных многосопловых промывных устройствах.
К следующий группе РЗУ следует отнести устройства, фильтрующая поверхность которых очищается гидравлическими осесимметричными струями, которые формируются вблизи внешней поверхности фильтрующего экрана. К таким устройствам относятся рыбозащитный оголовок с потокообразователем (РОП), разработанный Волгоградским отделом НИМ Гидропроекта и усовершенствованная конструкция РОП-Ж, разработанная в отраслевой лаборатории НИМИ.
Следует отметить, что данные конструкции, согласно исследованиям на водозаборах рек Волга и Дон, обеспечивают достаточно надежную промывку фильтрующего полотна, выполненного из перфорированного экрана, и мусоро-рыбоотвод. Наряду с рыбоотводящими функциями, гидравлические струи являются составной частью механизма защиты молоди рыб оголовком. К недостаткам этих устройств следует отнести сравнительно малую пропускную способность.
Общий вид и продольный разрез оголовка РОП-Ж представлен на рисунке 1.
Рис. 1. - Общий вид и продольный разрез оголовка РОП-Ж: 1 - всасывающая труба; 2 - всасывающие распределительные отверстия; 3 - ребро жесткости; 4 - перфорированные желоба; 5 - водоотвод потокообразователя; 6 - потокообразователь; 7 - насадки потокообразователя; 8 - встречный насадок потокообразователя
Практический интерес к данной научной работе заключается в разработанных рекомендациях по проектированию и эксплуатации гидравлического промывного устройства и методике расчета геометрических размеров зоны очистки фильтрующего полотна. Результаты исследований, могут представлять интерес при реконструкции рыбозащитных сооружений на различных водозаборах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федеральный закон от 20.12.2004 №166-ФЗ (ред. от 02.05.2015) «О рыболовстве и сохранении водных биологических ресурсов» [Текст].
2. Федеральный закон от 10.01.2002 №7-ФЗ (ред. от 24.11.2014, с изм. от 29.12.2014) «Об охране окружающей среды» (с изм. и доп., вступ. в силу с 01.01.2015) [Текст].
3. Федеральный закон от 24.04.1995 №52-ФЗ (ред. от 07.05.2013) «О животном мире» [Текст].
4. СП 31.13330.2012 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.02-84* [Текст].
5. СП 101.13330.2012 Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.06.07-87 [Текст].
6. Михайлин, А.В. Водозаборные сооружения из поверхностных источников [Текст] / А.В. Михайлин : Учебное пособие для студентов ф-та ВиВ. Том IV-8. - М.: АСВ, 2007.
7. Журба, М.Г и др. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений [Текст] / М.Г. Журба, Л.И. Соколов, Ж.М. Говорова; Научно-методическое руководство и общая редакция М.Г. Журбы : Учебное пособие. В 3-х томах. 3-е издание доп. и перераб. - М.: Изд-во АСВ, 2004. -1040 с.
8. Гришин, Б.М. и др. Водозаборные сооружения [Текст] / Б.М. Гришин, С.А. Кусакина, М.А. Сафронов, М.В. Бикунова, Е.А. Титов - Пенза: ПГУАС, 2013.
REFERENCES
[1] Federalnyj zakon ot 20.12.2004 №166-FZ (red. ot 02.05.2015) «O rybolovstve i soxranenii vodnyh biologicheskih resursov» [The federal law of 20.12.2004 No. 166-FZ (an edition of 02.05.2015) "About fishery and preservation of water biological resources"] (in Russian)
[2] Federal'nyj zakon ot 10.01.2002 №7-FZ (red. ot 24.11.2014, s izm. ot 29.12.2014) «Ob ohrane okruzhayushhej sredy» (s izm. i dop., vstup. v silu s 01.01.2015) [The federal law of 10.01.2002 No. 7-FZ (an edition of 24.11.2014, with amendment of 29.12.2014) "About environmental protection" (with amendment and additional, begin with 01.01.2015)] (in Russian)
[3] Federalnyj zakon ot 24.04.1995 №52-FZ (red. ot 07.05.2013) «O zhivotnom mire» [The federal law of 24.04.1995 No. 52-FZ (an edition of 07.05.2013) "About fauna"] (in Russian)
[4] SP 31.13330.2012 Vodosnabzhenie. Naruzhnye seti i sooruzheniya. Aktualizirovannaya redakciya SNiP 2.04.02-84* [Joint venture 31.13330.2012 Water supply. External networks and constructions. The staticized edition Construction Norms and Regulations 2.04.02-84] (in Russian)
[5] SP 101.13330.2012 Podpornye steny, sudohodnye shlyuzy, rybopropusknye i rybozashhitnye sooruzheniya. Aktualizirovannaya redakciya SNiP 2.06.07-87 [Joint venture 101.13330.2012 Retaining walls, navigable locks, rybopropuskny and fish-protecting constructions. The staticized edition Construction Norms and Regulations 2.06.07-87] (in Russian)
[6] Mixajlin A.V. Vodozabornye sooruzheniya iz poverxnostnyx istochnikov [Water intaking constructions from superficial sources]. Uchebnoe posobie dlya studentov f-ta ViV [Manual for water supply and water disposal department students]. Tom IV-8 [Vol. IV-8]. M. Pub. ASV [ASV], 2007. (in Russian)
[7] Zhurba M.G., Sokolov L.I., Govorova Zh.M. Vodosnabzhenie. Proektirovanie sistem i sooruzhenij [Water supply. Design of systems and constructions] Nauchno-metodicheskoe rukovodstvo i obshhaya redakciya M.G. Zhurby [Scientific and methodical management and general edited by M. G. Zhurba: 3rd edition additional and reslave.]. Учебное пособие [Manual]. В 3-х томах [In 3 volumes.]. 3-е издание доп. и перераб. [3rd edition additional and reslave]. M. Pub. ASV [ASV], 2004, Vol. 1. ISBN 5-93093-210-7, Vol. 2. ISBN5-93093-263-8, Vol. 3. ISBN 5-93093-278-6, 1040 p. (in Russian)
[8] Grishin B.M., Kusakina S.A., Safronov M.A., Bikunova M.V., Titov E.A. Vodozabornye sooruzheniya [intake structure]. Penza. Pub. PGUAS (Пензенский государственный университет архитектуры и строительства) [Penza state university of architecture and construction], 2013. (in Russian)
New Technologies Applied at the Reconstruction of Water Intake Facilities for The Purpose of Improving Fish Protection Devices
V.G. Tkachev*, L.V. Postoy**
Volgodonsk Engineering Technical Institute the branch of National Research Nuclear University «MEPhI», 73/94 Lenin St., Volgodonsk, Rostov region, Russia 347360 * e-mail: [email protected] ; ** e-mail: [email protected]
Abstract - Practical interest in this scientific work is to developed recommendations for design and operation of hydraulic washing device and geometric dimensions calculation methodology of the zone of cleaning the filter cloth. The results of the research may be of interest in the reconstruction of the fish protection facilities for water intake.
Keywords: hydromelioration, biocenosis, fish protection devices, air / water installation, jet washing device.
