CC BY
10
Сельскохозяйственные
и технические науки
УДК 626.882: 532.525.2
Перспективы модернизации входных оголовков
рыбоходных сооружений
О.Г. Введенский
Марийский государственный университет, Йошкар-Ола
Обсуждаются перспективы модернизации входных оголовков рыбоходных сооружений, отвечающих экологическим требованиям. Для этой цели предложена новая конструкция входного оголовка с противотечением, основанная на экологической технологии использования параллельных гидравлических струй. Дано теоретическое обоснование возможности использования параллельных гидравлических струй для привлечения рыб, идущих на нерест, в рыбоходное сооружение. Показаны и обоснованы математические условия образования привлекающего рыбу потока. Описана суть предлагаемых инженерных решений. Представлены краткие результаты экспериментальных исследований.
The paper overviews the ways of updating intake heads of fish passing constructions in accordance with the norms of environmental protection. To achieve this aim a new construction of an intake head with a countercurrent flow based on the technology of parallel hydraulic streams is used. The article provides theoretical foundations of their use to attract fish to passing constructions for fish spawning. Mathematical conditions for the formation of a stream to attract fish have been presented and engineering solutions have been shown. The author also presents the results of his experimental research.
Обитая в водной среде, рыбы выработали способность ориентации в ней по характеру и структуре течений. Используя эти свойства и основываясь на установленных закономерностях поведения рыб в речном потоке, можно управлять их перемещениями посредством управления течениями. Особое значение для такого управления имеют параметры привлекающего рыбу «шлейфа скоростей» [1]. В реальных условиях количество привлеченных к рыбоходному сооружению рыб пропорционально размерам этого шлейфа. В связи с этим при проектировании и эксплуатации рыбоходных сооружений особое внимание уделяется формированию шлейфа с максимальными размерами. В частности, при проектировании выбирается такой вариант рыбоходного сооружения, у которого привлекающий шлейф будет иметь большую ширину и протяженность.
Анализ действующих конструкций рыбоходных сооружений [1, 2, 3] показал, что существующие конструкции рыбоходов не обеспечивают необходимое выделение привлекающих рыбу потоков воды в ниж-
нем бьефе гидроузла. Указанный недостаток очень существенно снижает и без этого достаточно низкую эффективность работы рыбоходов. В целях повышения вероятности отыскания рыбами входа в рыбоходное сооружение привлекающий рыбу поток должен быть выделен в общем потоке реки. Перед входом в рыбоход может быть образована зона пониженных (повышенных) скоростей или четко выраженная граничная зона основного потока. В качестве критерия выделения привлекающего потока в общем потоке реки могут быть приняты: непосредственно у входа в рыбоход - пороговая скорость течения; в привлекающем шлейфе - пороговый градиент скорости [1].
Для привлечения рыб как можно с большей акватории нижнего бьефа при назначении скоростей потока на водосбросе и на входе в рыбоходное сооружение необходимо стремиться к увеличению параметров привлекающего шлейфа. При прочих равных условиях предпочтение следует отдавать варианту с большей шириной (площадью) шлейфа, так как это увеличивает ве-
роятность отыскания рыбами входа в сооружение. При этом должно соблюдаться условие выделения шлейфа в районе трасс перемещения или массового скопления рыб. Для решения данной проблемы нами были раз -работаны новый способ привлечения и пропуска ры -бы из нижнего бьефа гидроузла в верхний бьеф [4, 5] и принципиально новая конструкция оголовка рыбоходного сооружения [6].
Предлагаемая конструкция входного оголовка рыбохода представляет собой входную разделительную стенку 5 рыбохода, выполненную в плане по дуге окружности и представляющую собой цилиндрическую поверхность (рис. 1).
Рис. 1. Схема размещения рыбохода с входным оголовком предлагаемой конструкции в створе плотины гидроузла: 1 - плотина гидроузла; 2 - рыбоходный тракт в виде водосливного
лотка; 3 - вертикальные поперечные разделительные стенки, образующие камеры рыбохода; 4 - вплывные отверстия рыбохода; 5 - входная разделительная стенка рыбохода; 6 - вплывное отверстие входного оголовка рыбохода
С целью увеличения площади охвата привлекающим потоком в нижнем бьефе гидроузла вплывное отверстие 6 во входном оголовке выполняют по всей длине входной разделительной стенки рыбохода 5 (рис. 1). Для этой же цели центральный угол в плане входной разделительной стенки рыбохода 5 имеет значение в пределах 270^300° (рис. 2). Вплывное отверстие входного оголовка рыбохода оснащают заградительным козырьком 9 (рис. 3), образованным экранирующими заградительными стенками, установленными по всему периметру вплывного отверстия 3 параллельно осям распространения струй. Заградительный козырек необходим для обеспечения стабильности работы входного оголовка. Внутри заградительного козырька по пе -риметру вплывного отверстия (рис. 3) расположены струеобразующие насадки 4 параллельно или под углом к оси вплывного отверстия 3. Струеобразующие на -садки 4 связывают посредством напорного трубопровода 11 с насосом 6 (рис. 4).
Привлекающий поток
Рис. 2. Схема рыбохода с входным оголовком на виде в плане: 1 - плотина гидроузла; 2 - рыбоходный тракт; 3 - вертикальные поперечные разделительные стенки, образующие камеры рыбохода; 4 - входная разделительная стенка рыбохода; 5 - вплывное отверстие входного оголовка рыбохода
Рис. 3. Схема работы вплывного отверстия входного оголовка рыбохода: 1 - водосливной лоток рыбоходного тракта; 2 - входная
разделительная стенка рыбохода; 3 - вплывное отверстие; 4 - струеобразующие насадки; 5 - ряды параллельных гидравлических струй; 6 - суммарный поток; 7 - зона частично равных давлений; 8 - привлекающий поток; 9 - заградительный козырек; НПУ -нормальный подпорный уровень во входном оголовке рыбохода;
УВБ - уровень верхнего бьефа; Р0 - давление на свободной
поверхности; Н - величина напора со стороны верхнего бьефа;
к - глубина погружения оси вплывного отверстия; Ур - скорость
привлекающего потока; У0п - начальная скорость истечения
гидравлических струй из насадков; У- начальная осевая скорость
суммарного потока; X - ось распространения суммарного потока; Х1 - расстояние от поперечной перегородки до зоны взаимодействия
струй воды (начальный участок суммарного потока); х2 - расстояние от поперечной перегородки до зоны частично равных давлений
Суть работы вплывного отверстия 3 входного оголовка рыбохода сводится к следующему (рис. 3).
Во входной разделительной стенке рыбохода 2, отделяющей нижний бьеф гидроузла от входа в рыбоход, выполняют вплывное отверстие 3. По периметру данного вплывного отверстия 3 со стороны верхнего бьефа устанавливают струеобразующие насадки 4. При истечении воды через эти насадки 4 образуются два ряда параллельных гидравлических струй 5, имеющих некоторую начальную скорость У0 . На некотором расстоянии х1 от входной разделительной стенки рыбохода 2 происходит взаимодействие струй воды, т.е. происходит образование суммарного потока 6 с начальной осевой скоростью ¥х 0. Величину ¥х 0 начальной осевой скорости суммарного потока 6 можно найти из следующей зависимости:
V,
= Р;
V 0 d „3 Ь 3 п
0 п 0 п Э
(1)
9,514 (кэ - Ьэ )'
где фх - безразмерный скоростной коэффициент, определяемый опытным путем;
V, - начальная скорость истечения одиночной п-й гидравлической струи, м/с;
d0 п - диаметр п-го струеобразующего насадка, м;
Ьэ - расстояние между осями симметрии параллельных гидравлических струй в ряду, м;
п - количество параллельных гидравлических струй в ряду;
кэ - расстояние между рядами (плоскостями распространения) параллельных гидравлических струй на выходе из насадков, м.
Суммарный поток можно рассматривать как плоскопараллельную струю с начальной скоростью Vх 0.
Закон изменения осевой скорости данной плоскопараллельной струи может быть представлен следующей зависимостью:
еот1 Vх = —т~ = Ри
л/Х
Vх0ЬЭп
(2)
ных давлений 7, которая обеспечит беспрепятственный пропуск рыб в верхний бьеф гидроузла. Но для успешного пропуска рыб, идущих на нерест [2] через рыбоход, необходимо наличие устойчивого привлекающего или транзитного течения 8. Величина скорости Vp привлекающего рыбу потока 8 зависит от разницы давлений в зоне частично равных давлений 7: Р5Р - давление суммарного потока (гидравлического упора потока) на расстоянии х2 от поперечной перегородки 2 и Р№ - давление, создаваемое напором Н со стороны верхнего бьефа.
Давление Р^ на оси вплывного отверстия, создаваемое столбом воды высотой н со стороны верхнего бьефа, можно записать, используя основное уравнение гидростатики, в виде:
Рш = pgH +pgк + Р0, (3)
где р - плотность воды, кг/м3;
g - ускорение свободного падения, м/с2; Н - величина напора со стороны верхнего бьефа, м; к - глубина погружения оси рыбопропускного отверстия, м;
Р0 - давление на свободной поверхности, Па.
Тогда давление противотечения Р8Р, создаваемое суммарным потоком, можно так же определить с использованием основного уравнения гидростатики и записать в следующем виде:
Р8Р = pVX + pgк + Р
(4)
где р!РУх - гидравлический упор, создаваемый суммарным водным потоком, Н.
После приравнивания правых частей выражений (3) и (4) получим математическое условие образования зоны частично равных давлений:
Vх 0 =4&Н,
(5)
где х - расстояние от начального сечения суммарного потока до рассматриваемого участка потока, м;
Фи - коэффициент пропорциональности, определяемый опытным путем.
Как видно из выражения (2), при дальнейшем распространении суммарного потока его осевая скорость Vx будет уменьшаться. Это произойдет за счет пульса-ционных скоростей (площадь потока Б увеличивается) и скорости противотечения, зависящей от перепада бьефов на входной разделительной стенке. На некотором расстоянии х2 (рис. 3) осевая скорость распространения суммарного потока Vx примет значения, близкие к нулю, и поток в направлении оси х затихнет. Таким образом, произойдет образование зоны частично рав-
где Vх 0 - начальная скорость суммарного (водного) потока, м/с;
g - ускорение свободного падения, м/с2;
Н - величина напора на входную разделительную стенку, м.
Следовательно, для создания устойчивого привлекающего или транзитного потока должно выполниться следующее условие:
Vх 0 < . (6)
Выполнение условия (6) можно достичь достаточно простым способом, изменяя величину начальной скорости истечения струй V) , которая входит в выражение (1) для определения величины Vх 0.
Для формирования суммарного потока 6, являющегося результатом взаимодействия гидравлических
2 1
струй 5, необходим заградительный козырек 9 (рис. 3). Он состоит из вертикальных и горизонтальных экранирующих стенок, размещенных по всему периметру вплывного отверстия со стороны верхнего бьефа, и образует при этом классический эжектор.
Возможность использования предлагаемой технологии для пропуска рыб из нижнего бьефа гидроуз -ла в верхний бьеф была проверена экспериментально. В опытном бассейне были проведены исследования распространения двух рядов п параллельных гидравлических струй во встречном потоке, а также эксперименты с модельными рыбами. При проведении лабораторных исследований за основной критерий гидродинамического подобия был принят критерий подобия Фруда. Эксперименты с использованием модельных рыб основывались на методе биогидравлического моделирования. В качестве модели объекта использовалась мелкая взрослая рыба или молодь. Подбор ее осуществлялся из условия подобия реакции модельной и натурной рыбы на привлекающий поток.
Полученные результаты экспериментов подтвердили теоретическое обоснование рассматриваемого явления и засвидетельствовали возможность реализации предлагаемого способа применения гидравлических струй для стабилизации условий привлечения и пропуска рыб из нижнего бьефа гидротехнического сооружения в верхний бьеф. Кроме того, экспериментальные
исследования позволили установить значения коэффициентов, необходимых для определения технико-экономических показателей предлагаемой технологии.
Предложенная технология использования гидравлических струй для привлечения рыб в рыбопропускное сооружение позволила наметить пути модернизации конструкций входных оголовков рыбоходных сооружений и технологий их работы. Необходимыми условиями увеличения привлекающего потока на входе в рыбоход является не только увеличение сектора охвата нижнего бьефа гидроузла, но и обеспечение необходимого расхода воды через вплывное отверстие входной разделительной стенки. Для решения последней задачи из верхнего бьефа посредством дополнительного трубопровода 9 во входной оголовок рыбохода подают дополнительный расход воды (рис. 4).
Функционирование входного оголовка рыбохода возможно только при обеспечении равенства подаваемых расходов воды в струеобразующие насадки и забираемых расходов из той камеры рыбохода, куда эти получаемые струи направлены. Поэтому забор воды, необходимый для формирования гидравлических струй, осуществляют из входного оголовка рыбохода, при этом достигается равенство объема воды, поступившего во входной оголовок рыбохода посред -ством гидравлических струй, и забираемого объема воды, из этой же камеры рыбохода, необходимых для образования этих струй (рис. 4).
Рис. 4. Схема продольного разреза лестничного рыбохода с входным оголовком новой конструкции: 1 - водосливной лоток рыбоходного тракта; 2 - входная разделительная стенка рыбохода; 3 - вплывное отверстие; 4 - струеобразующие насадки; 5 - коллектор для питания системы струеобразующих насадок; 6 - питающий насос; 7 - внутренние поперечные перегородки рыбохода; 8 - бассейны рыбохода; 9 - дополнительный трубопровод; 10 - задвижки; 11 - напорный трубопровод; 12 - направление привлекающего рыбу потока
Предлагаемая конструкция входного оголовка рыбоходного сооружения позволит создать управляемый, равномерный, стабильный, а также больший по площади, привлекающий рыбу поток, что в максимальной степени будет способствовать качественному привлечению рыб к рыбоходному сооружению и их самостоятельному заходу в рыбоход. Кроме того, изменение расхода воды, подаваемого через дополнительный трубопровод, позволит регулировать величину привлекающего потока на входе в рыбопропускное сооружение. А выпуск дополнительного расхода воды непосредственно перед вплывным отверстием входного оголовка позволит создать привлекающий поток, который не будет дезориентировать рыбу во входном оголовке рыбохода.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шкура, В.Н. Рыбопропускные сооружения: в 2-х ч. - Новочеркасск: Новочеркасская гос. мелиоративная акад., 1998. - 728 с.
2. Комплексное использование и охрана водных ресурсов/ О.Л. Юшманов, В.В. Шабанов, И.Г. Галямина и др. - М.: Агропром-издат, 1985. - 303 с.
3. Скоробогатов, М.А. Технические средства и технологии пропуска рыб через гидроузлы: дис... д-ра техн. наук. - Тверь, 1997. - 291 с.
4. Пат. 2130991 РФ, МПК6 Е02В 8/08. Способ привлечения и перевода рыб из нижнего бьефа гидроузла в верхний / О.Г. Введенский (РФ). - № 98107563/13; Заявлено 10.04.96; Опубл. 27.05.99, Бюл. № 15. - 6 с.
5. Пат. 2335600 РФ, МПК8 Е02В 8/08. Способ привлечения и пропуска рыбы из нижнего бьефа гидроузла в верхний бьеф и рыбоход, его осуществляющий / О.Г. Введенский (РФ). - № 2006143890/03; Заявлено 11.12.2006; Опубл. 10.10.2008, Бюл. № 28. - 12 с.
6. Заявка 2007106987/03 РФ, МПК8 Е02В 8/08. Входной оголовок рыбохода / О.Г. Введенский (РФ). - Заявлено 26.02.2007; Положительное решение от 08.05.2008.
