CC BY
76
Б. Кхарел,
канд. техн. наук, доц., СПГУВК
ВЛИЯНИЕ ТВЕРДОГО СТОКА РЕК ЮЖНОЙ АЗИИ НА ЭКСПЛУАТАЦИЮ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
IMPACT OF SEDIMENT LOAD OF SOME SOUTH ASIAN RIVERS ON MAINTENANCE OF HYDRAULIC STRUCTURES
В статье приводятся характеристики основных рек Южной Азии с учетом их твердого стока, а также указываются конкретные примеры негативных воздействий наносов на эксплуатацию различных гидротехнических сооружений. Даются рекомендации для минимизации ущерба от влияния наносов.
The article gives characteristics of main South Asian rivers with their sediment load, illustrates certain examples of negative sediment load impact on maintenance of different hydraulic structures. Recommendations for minimization of sediment load impact are suggested.
Ключевые слова: твердый сток, истоки Ганга, мутность, гидроузел Санься, взвешенные наносы, керамическое покрытие.
Key words: sediment load, riverheads of the Ganges, turbidity, hydro-electric station, suspension sediment, ceramic covering.
P
ЕКИ Южной Азии протекают по территории огромных размеров и поэтому имеют большую протяжен-
полагается в предгорных районах, на конусах выноса и террасах, где имеются выходы грунтовых вод.
ность. В то же время резкие климатические различия между отдельными частями региона определяют многообразие водного режима и типов питания рек. По величине среднего объема годового стока вся Азия стоит на первом месте среди других материков. С ее поверхности в океан стекает ежегодно 12 850 км3 воды, что составляет около 1/3 объема среднегодового мирового стока.
-3
Воды многих рек поддерживали существование больших озер, которые при последующем нарастании сухости климата стали высыхать и заполняться аллювиальными наносами. Многие современные реки потеряли связь с сильно сократившимися и обмелевшими реликтовыми озерами. В настоящее время древние ирригационные сооружения, примитивные водяные колеса (нории) и запруды постепенно уступают место современным гидросооружениям, но их еще недостаточно, чтобы удовлетворить острую нужду в воде, особенно летом.
см ж
Ввиду огромных размеров региона, резких климатических различий, вызываемых не только географическим положением отдельных районов, но и горно-котловинным рельефом, распределение стока отличается крайней неравномерностью. Годовой слой стока достигает наибольших величин (1000— 1500 мм и более) в горных районах на юго-западе Индостана, Бирмы и Юго-Восточного Китая, обильно орошаемых экваториальными и тропическими муссонными дождями, нерегулярен и поэтому в указанных странах особое значение в жизни населения приобретают подземные воды. Дебет источников нередко лимитирует размеры населенных пунктов, значительная часть которых рас-
В бассейн Индийского океана почти не поступает поверхностный сток из пустынно-тропической Аравии, но Гималайские хребты, горные области Бирмы и западные склоны Гхат несут в океан огромные массы воды. В этих районах годовой слой стока достигает 1000-1500 мм. Наибольшую высоту он имеет на южных склонах Восточных Гималаев. Это объясняется большим количеством атмосферных осадков (в Черрапунджи, широко известном как одно из самых дождливых мест на Земле, абсолютный годовой макси-
мум осадков — 22 987 мм в 1860-1861 гг., средняя годовая норма — 12 660 мм), а также низкими температурами на больших высотах и, следовательно, пониженным испарением.
Горы расчленены густой речной сетью, а прилегающие к ним низменности пропитаны водой, словно губки, и в дельтах крупных рек — Ганга, Брахмапутры и Иравади («слоновая река») — сильно заболочены. На менее увлажняемых склонах Восточных Гхат, в засушливых внутренних районах Индостана и на сухих равнинах Инда, напротив, слой стока невелик (от 200 до 50 мм и менее). Короткие реки Индостана и Бирмы получают сезонное дождевое питание, но в зависимости от режима выпадения осадков максимальные расходы наступают в одних районах в летние месяцы, в других — в осенние. Имеющие преимущественно летний сток реки можно отнести к рекам с муссонным типом водного режима, реки с преобладающим осенним стоком — к рекам нигерианского типа [1]. Последние типичны для южного Индостана и острова Цейлон. Наряду с короткими и сравнительно маловодными реками в Индийский океан впадают крупные реки большой протяженности, такие как Инд, Ганг, Брахмапутра. Эти реки имеют сложный режим, поскольку протекают через различные физико-географические области и страны: их притоками являются все реки Непала.
Они имеют снежно-ледниково-дож-девое питание в верховьях, дождевое — в среднем и нижнем течении, резкий летний максимум стока и сочетают в себе особенности рек альпийского и муссонного типов.
Верховья Инда и Брахмапутры лежат в Южном Тибете, сравнительно маловодны и зимой замерзают. При прорыве через Гималаи течение этих рек становится бурным, русла порожистыми, уклоны достигают 1215 м/км, но при выходе на великие индийские равнины они становятся широкими и спокойными. Истоки Ганга питают ледники главного Гималайского хребта. Многочисленные горные притоки Ганга резко увели-
чивают объем воды в реке. На выходе из гор Ганг широко разливается в период летнего муссона и интенсивного таяния снегов и льдов в Гималаях. В устье эта река образует общую дельту с Брахмапутрой. При разливах дельта превращается в лабиринт островов и протоков, быстро меняющих свои очертания. В сухой зимний период крупные реки (особенно Ганг и Брахмапутра) не испытывают такого резкого спада воды, как реки Деккана, поскольку и зимой на южных склонах Гималаев также выпадают осадки, хотя и менее сильные.
Река Ганг длиной 2525 км транспортирует около 729 млн т наносов в год. Речные сети на севере Индии и бассейн реки Ганг показаны на рис. 1, а. Связь между уровнем воды и мутностью в створе Патны показаны на рис. 1, б.
Реки Индии, Пакистана и Непала используются для орошения, в засушливых районах с древних времен проведена ирригационная сеть. Наиболее крупные реки и каналы используются для судоходства. Ввиду горного рельефа островов реки архипелага мало пригодны для судоходства, но имеют большое значение для энергетики и орошения рисовых полей. Реки Индокитая, как и реки полуострова Индостан с дождевым питанием, имеют ярко выраженный летний максимум стока, особенно заметный на реке Меконг.
Лесс (слабосцементированная осадочная горная порода желтоватого цвета), ежегодно выносимый Хуанхэ (Желтая река) в огромных количествах, слагает ее дельто-во-аллювиальную равнину площадью около 250 000 км2. Современная дельта реки по сравнению с древними дельтовыми отложениями не так велика (около 2000 км2). Если Хуанхэ известна своими катастрофическими летними разливами, то сток Янцзы более равномерный. Это зависит главным образом от более равномерного распределения осадков на площади ее бассейна и регулирующих сток крупных озер (Дунтинху, Поянху и др.), связанных системой протоков с главным руслом реки.
во о-
X 2
I-
в и <и а в >в
<и
и £
ю в в в ч в
<и а <и я <и и л в
-с
н
<и и
в
В
<и Рч
и а
<и
EQ
□
а
>
х о
со
□
а
о
и
£Х
<J
О.
о
<и X ш
о
СL
>
9
Л □
во
10000
7500
5000
-—
Сен Нояб Яне Map Май Инь Ипь Нояб Яне Map
Месяц
Средним уровень воды —--Min. значение мутности
СреДЯЯ величина мутности---Мах. значение мутности
а £
и
о
2500
Рис. 1, б. Зависимость мутности воды от уровня в реке Ганг в створе Патны 1994-1995 гг.
&
Z мэАшчд
е<х о>
II университета
'ЖУРНАЛ водных / / коммуникации
Твердый сток Янцзы очень велик, но он не аккумулируется столь интенсивно в русле, как у Хуанхэ. Половина наносов остается в дельте и на предустьевом взморье, отчего береговая линия выдвигается в сторону моря на два километра в столетие. В связи с этим в Народном Китае развернулись грандиозные работы по регулированию стока рек. На Хуанхэ, Хуайхэ, Янцзы и других крупных реках построены и строятся десятки крупных плотин, береговых дамб, оросительных каналов, сооружаются гидроэлектростанции.
С ростом населения в этом регионе на-
Твердый сток на
чиная с середины прошлого века строили новые города или расширяли существующие. Для этого часто уничтожались лесные массивы, сильно влияющие на экосистему реки и окружающей среды, в связи с чем наблюдались природные аномалии и катастрофы (наводнения, оползни, засухи и т. д.). Наличие больших скоростей течения потока в реках приводит к интенсивному размыву русел, и они транспортируют огромное количества взвешенных и донных наносов (данные твердого стока на основных мутных реках мира приведены в табл. 1).
Таблица 1
вных реках мира
Государство Река Бассейн реки, (103 км2) Годовой сток, (109 м3) Твердый сток, (109 Т) Годовая концентрация наносов (мутность), (кг / м3) Твердый сток / площадь бассейна реки, (Т / км2)
Китай Желтая река 752,4 47,4 1,63 35,0 2126
США Колорадо 637 4,9 0,135 27,5 211,9
Индия — Бангладеш Ганг 955 371,0 1,541 3,92 1519
Египет — Судан Нил 2978 89 0,111 1,25 37,3
США Миссисипи 3230 564,5 0,312 0,55 96,6
см ж и
В связи с бурным ростом населения и экономики стран Азии, этот регион сильно нуждается в энергоресурсах и продовольствии. Кроме водных ресурсов, газа и нефти в регионе очень мало. Регион активно использует водные ресурсы, строятся крупные комплексные гидроузлы. Самый большой в мире гидроузел Санься («Три ущелья») строится на реке Янцзы в Китае. При строительстве гидроузлов различных назначений большое внимание приходится уделять удалению наносов.
Крупные наносы, попадая в водохозяйственные сооружения (оросительные каналы, водоприемники, деривационные ка-
налы гидроэлектростанций и т. д.), оседают в водоводах и уменьшают их пропускную способность. Взвешенные наносы истирают облицовки деривационных и станционных водоводов, а также рабочие элементы гидротурбин. Абразивный износ турбин приводит к значительному падению их КПД, а следовательно, к снижению мощности и выработки энергии гидроэлектростанции, сокращению срока службы гидротурбинного оборудования. С целью уменьшения ущерба, вызываемого наносами, при проектировании ГЭС предусматриваются меры по защите сооружений и оборудования от проникновения в них опасных фракций наносов.
Рис. 2. Река Кали Гандаки (приток р. Ганг) на отметке 2540 м над уровнем моря
Все реки Непала несут с водой большой объем наносов, что обусловлено мягкими горными породами, слагающими русло рек. Установлено, что общие потери грунтов от речной эрозии составляют более 250 млн м3 в год. Некоторое представление об объеме наносов в речных потоках Непала дает табл. 2.
Таблица 2
Площадь водосброса и расходы основных рек Непала
Река Площадь водосброса, км3 наносы м3
вода с
Коши 50 000 1/420
Карнали 43 000 1/440
Гандаки 36 000 1/460
Рапти 3650 1/800
Рис. 3. Очистка канала от наносов в оросительной системе (г. Читван, Непал)
В связи с большим количеством наносов в потоке все непальские гидроэлектростанции оборудуются отстойниками. Для примера рассмотрим гидроэлектростанцию Кхим-
00 о-
X 2
Рис. 4. Эрозийный износ элементов активной турбины ГЭС Кхимти-1: а — конус; б — ковш
ти-1 на горной реке Кхимти с установленной мощностью 60 Мвт (5*12 Мвт). Мутность реки во время паводка составляет 10-11 кг/м3. Для осаждения 85 % наносов с размером до 0,13 мм и 95 % с размером 0,20 мм в составе гидроузла имеется двухкамерный отстойник с непрерывным промывом. Однако его работа оказалась недостаточно эффективной: после 6000 часов эксплуатации ГЭС на элементах турбин появился эрозийный износ (рис. 4). Выполненные лабораторные исследования движения наносов в реке Кхимти и в других реках Непала показали, что в них содержится большое количество кварцевых частиц размером меньше 0,13 мм, которые вызывали интенсивный износ оборудования ГЭС.
Для предотвращения износа элементов турбин предложено использовать напыление на элементы агрегатов твердого керамического покрытия. Стоимость ежегодного покрытия в 2003 г. составила 25 тыс. долл. США, но идея оказалась не совсем эффективной. В этих регионах специалистам в сфере гидротехнического строительства необходимо глубоко изучать влияние наносов на эксплуатацию различных гидротехнических сооружений. В условиях сложной топографии Непала рекомендуется проектировать новые отстойники с вертикальной промывкой, которые эффективно удаляют наносы, сохраняя экологическую обстановку в нижнем бьефе гидроузла [13, 14].
Список литературы
см ж и
1. Львович М. И. Элементы водного режима рек земного шара. — Свердловск; М., 1945. 00 2. Львович М. И. Человек и воды. — М., 1963.
3. Гидроэлектрические станции / под ред. В. Я. Карелина, Г. И. Кривченко. — М.: Энергоато-миздат, 1987.
4. Канцуров В. Н., Кумскова Н. Г. Занесение-заиление головных отстойников мелиоративных систем. — Благовещенск, 1990.
5. Проектные документации гидроузлов на реках Маршянгди, Катманду, Непал. — 1991.
6. Проектные документации гидроузлов на реках Кулехани, Катманду, Непал. — 1991.
7. Демура М. А. Горизонтальные отстойники. — Киев: Будивельник, 1968.
8. Данелия Н. Ф. Водозаборные сооружения на реках с обильными донными наносами. — М.: Колос, 1964.
9. Использование водной энергии: учебник для вузов / под. ред. Ю. С. Васильева. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1995. — 608 с.: ил.
10. Manual on River Behaviour, control and training. Dr. D. V. Joglgkar. — New Delhi, 1971.
11. Sediment in Nepalese hydropower projects. Bhola Thapa, Raju Shrestha, Projjowal dhakal, Norwegian University of science and Technology and Kathmandu University. — Nepal, 2004.
12. Sediment yield and sediment budget of the yellow river. Hongling SHI, Yangui Wang, Cheng LIU, International Research and Training Centre on erosion and Sedimentation, Beijing. — China, 2007.
13. Кхарел Б. Истечение водогрунтовой смеси через днищевые люки бункеров-отстойников: автореф. дис. ... канд. техн. наук. — СПб., 1999.
14. Кхарел Б., Колосов М. А., Лощак В. К. Отстойник гидротехнического соооружения (изобретение) БИК № 11, свид-во № 22610. — М., 2002.
АНАЛИЗ НАГРУЗОК, ДЕЙСТВУЮЩИХ В МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЯХ НИЖНИХ ДВУСТВОРЧАТЫХ ВОРОТ СУДОХОДНЫХ ШЛЮЗОВ
ANALYSIS OF LOADING OPERATING IN METAL CONSTRUCTIONS OF THE BOTTOM FOLDING GATES OF THE LOCKS
В статье рассмотрены действующие на нижние двустворчатые ворота нагрузки. Проведен качественный анализ связей ворот с использованием основных положений системного анализа. Проведена по возможности их количественная оценка влияния на напряженно-деформированное состояние. Делается вывод о недостаточности данных и необходимости проведения дополнительных наблюдений.
In article loadings operating on the bottom folding gate are considered. The qualitative analysis of communications of gate with use of substantive provisions of the system analysis is carried out. Their quantitative estimation of influence on intense-deformed condition is made, whenever possible. The conclusion about insufficiency of the data and necessity of carrying out of additional supervision is drawn.
Ключевые слова: судоходный шлюз, нижние двустворчатые ворота, связи системы, нагрузки, опорные реакции, распорные усилия, гидростатический напор, характер деформации.
Key words: navigable sluice, the bottom folding gate, communications of system, loading, basic reactions, spacer efforts, a hydrostatic pressure, character of deformation.
А. С. Мишин,
аспирант, СПГУВК
во
d"
Анализ воздействий
большинстве металлоконструкций нижних двустворчатых ворот (НДВ) после 15-20 лет эксплуатации началось образование трещин, что вызывает необходимость оценки надежности ворот, определения их остаточного ресурса, а также определения возможности проведения ремонтных работ для обеспечения
о X 2
на металлоконструкции ворот
Срок эксплуатации судоходных шлюзов Российской Федерации составляет 45-70 лет. Надежность механического оборудования уменьшается из-за процессов старения, в связи с чем возрастает вероятность отказов. На
