CC BY
55
Новосибирск, 2013.
4. Рекомендации по совершенствованию планировочной структуры Новосибирска: отчет НИР / Е.С. Нестеренок. Новосибирск: СибЗНИИЭП, 1981. 77 с.
5. Журин Н. П. Планировка и застройка городов Сибири в период строительства транссибирской магистрали: автореф. дис. ... канд. архитектуры. Новосибирск, 1975. 16 с.
6. Гутнов А.Э, Лежава И.Г. Будущее города. М.: Стройиздат, 1977. 126 с.
7. Коган Л.Б. Соотношение планировочных единиц и структуры города // Архитектура СССР. 1970. № 6.
8. Анализ реализации генерального плана города 1993-1995 годов. Современное состояние, совершенствование гене-
рального плана в новых экономических условиях, перспективы развития города до 2010 года», к материалам для «Комплекса работ по подготовке правил застройки и землепользования».. Новосибирск: СибЗНИИЭП, 2001.
9. Провести исследования социально-культурных условий формирования городской среды г. Ноябрьска и разработать рекомендации по учету в проекте детальной планировки. Договор № 01-966 от 01.11.1999. Отчет (руководитель Е.Л. Левченко). Новосибирск: СибЗНИИЭП.
10. Литвинов С.В. Архитектурно-планировочное развитие городов Среднего Приобья: исторический анализ и оценка: автореф. дис. ... канд. архитектуры: 18.00.04. Новосибирск, 2007. 27 с.
УДК 532
ЗАЩИТА БЕРЕГОВЫХ ВОДОЗАБОРОВ ОТ ПОПАДАНИЯ В НИХ МЕХАНИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ
А
© Т.В. Колесникова1
Московский государственный строительный университет, 129337, Россия, г. Москва, Ярославское шоссе, 26.
Описываются причины затруднения в работе объектов водоснабжения, вызванные попаданием в водозаборные сооружения механических включений (шуги, наносов, ледовых масс, мусора, топляка). Рассматривается реальная опасность сбоя работы водозаборных сооружений, влияющей на рыбное хозяйство. Приводятся конструктивные решения и мероприятия, способствующие бесперебойной работе водозаборов. Как показали наблюдения за характеристиками водозаборных сооружений, безаварийную работу водозаборов и выполнение природоохранных мероприятий может обеспечить пневмобарьерный комплекс. Рассматривается гидравлика области водоотбора расхода из реки береговым водозабором, что важно с точки зрения притягивания к водоприемным отверстиям шуги, наносов, мусора и рыбной молоди, и устанавливает её границы. Показывается, что для успешной работы пневмобарьерных комплексов необходимо учитывать ширину зоны водоотбора и выносить рабочие трубы пневмобарьерного комплекса за пределы этой зоны. Библиогр. 10 назв.
Ключевые слова: водозаборные сооружения; шуга; наносы; молодь рыб; рыбозащитные сооружения; пневмобарьерный комплекс; зона водоотбора.
SHORE INTAKE PROTECTION FROM MECHANICAL INCLUSION ENTRY T.V. Kolesnikova
Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoe Shosse, Moscow, 129337, Russia.
The article describes the causes of water supply facility failures associated with the entry of mechanical inclusions (pancake ice, deposits, ice masses, litter, sunken wood). It considers the real danger of failure in water intake facility operation, which affects fishing industry, and provides design solutions and measures ensuring failure-free operation of water intakes. Intake facility characteristic monitoring showed that a pneumo-barrier complex can provide a trouble-free operation of water intakes and fulfillment of nature protection measures. Consideration is given to the hydraulics of the water withdrawal area of shore intake facility yield from the river that is important from the point of view of drawing in pancake ice, deposits, litter and juvenile fish to water intake openings, and determines its borders. It is shown that successful work of pneumo-barrier complexes requires to consider the width of the water withdrawal zone and place pneumo barrier complex working pipes beyond this zone limits. 10 sources.
Key words: water intake facilities; pancake ice; deposits; juvenile fishe; fish protecting structures; pneumo-barrier complex; water intake zone.
Опыт эксплуатации объектов водоснабжения, берущих воду из поверхностных источников для хозпи-тьевого, промышленного (энергетического и ирригационного) назначения, показывает, что наиболее уяз-
вимой их частью являются водозаборные сооружения [1].
Водозаборные сооружения должны обеспечить бесперебойную подачу воды потребителю даже при
колесникова Татьяна Васильевна, доктор технических наук, профессор кафедры городского строительства и коммунального хозяйства Института жилищно-коммунального комплекса, тел.: 89104065127, 89265261247; e-mail: 123477@mail.ru Kolesnikova Tatiana, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Urban Construction and Municipal Services of the Institute of Housing and Municipal Complex, tel.: 89104065127, 89265261247; e-mail: 123477@mail.ru
сочетании самых неблагоприятных природно-гидрологических условиях забора воды (шуголедовых помехах, переформировании русла или побережья водоема, снижении расходов и глубин в русле реки).
При проектировании водозабора необходимо учитывать, что условия забора воды могут осложняться лесосплавом, захватом топляка, мусора, щепы, сора и водорослей. Водозабор необходимо располагать по возможности ближе к водопотребителю, с доступностью элементов обслуживания в период эксплуатации.
По признаку расположения водоприемника относительно берега выделяют 2 схемы водозабора:
- берегового типа с расположением водоприемника на берегу;
- руслового типа, когда водоприемник находится на значительном удалении от берега.
В первом случае водоприемные окна водозабора всегда доступны для обслуживания, во втором случае добраться до окон водозабора как в период паводка, так и период шугохода эксплуатационному персоналу не представляется возможным
В ряде случаев, когда прогнозируется снижение глубин и расходов реки, интенсивная переработка берегов русла реки с угрозой завала и наносами берегового водозабора, проектируются сооружения со смешенным приемом воды, то есть одновременно устанавливаются береговой и русловой водоприемники. На реках с тяжелыми шуголедовыми помехами и значительной мутностью нашли применение водоприемные ковши.
Как правило, в осенне-зимний период, когда на реках отсутствует ледовый покров, а температура воздуха понижается ниже нуля, происходит переохлаждение поверхностных слоев водоема. Турбулентность речного потолка способствует его активному перемешиванию и переохлаждению воды по всему живому сечению. Значение температуры в реке падает до нуля градусов и ниже до сотых долей. Это сопровождается интенсивным образованием кристаллов льда и их объединению в губчатую структуру, называемую внутриводным льдом. При снегопаде на поверхности реки образуется снежура. Всплывший внутри-водный лед объединяется с выпавшей снежурой и другими ледовыми образованиями поверхностных слоев реки и движется по реке в виде ковров [1; 2]. Следует ожидать, что чем больше река загрязнена и чем выше степень насыщения ее наносами, тем более интенсивное образование льда в ней будет наблюдаться.
Из-за постоянного турбулентного перемешивания ледовые массы, идущие по реке, двигаются по всей глубине реки. Подход ледовых образований к окнам водоприемных сооружений приводит к закупорке их льдом и обмерзанию. В этих случаях нарушается или полностью прекращается работа объектов водоснабжения. В наиболее тяжелых случаях при продолжении забора воды (что довольно часто наблюдал автор, особенно на водозаборах промышленных предприятий) на стенах водоприемников создается разность давлений в несколько метров, и происходит пролом
или продавливание сороудерживающих решеток.
Кроме того, ледошуговые массы с забираемой водой могут пройти по самостоятельным трубопроводам в аванкамеру, вызывая обмерзание сороулавливаю-щих сеток. Описанные явления на длительный срок выводят объекты водоснабжения из строя. Опыт эксплуатации водозаборных сооружений показал, что такие противошуговые мероприятия как: электрообогрев решеток в окнах водоприемника, очистка решеток, промывка обратным током самотечных труб и решеток, установка шугоотбойных запаней, продувка водоотводов сжатым воздухом, покрытие решеток противообледенительным веществом, пуск горячей воды и острого пара не всегда обеспечивают требуемый гарантированный водоотбор в предледоставный период.
Одной из наиболее эффективных мер по защите водоприемника от попадания в него ледовых образований и утепления водных масс, захватываемых водозабором, может служить устройство береговых ковшей. Однако эти сооружения требуют дорогостоящих земляных дамб, к тому же они способствуют деформации русла, препятствуют судоходству.
Как только река покрывается сплошным льдом, внутриводный лед перестает образовываться, и захват водозабором ледовых образований и шуги прекращается. К водоприемным отверстиям водозаборов также притягиваются и могут закупорить их мусор, топляк, щепа, наносы. Практика эксплуатации водоприемников показала, что занос этих сооружений происходит довольно часто.
В то же время и сами водозаборные сооружения представляют реальную опасность для жизнедеятельности водных животных и ихтиофауны (рыбная молодь). Ихтиологические исследования, проведенные в натурных условиях на Гурьевском водозаборе, показали, что рыба как физическое тело активно подвергается воздействию турбулентных восходящих струй [3]. Рыбная молодь, взаимодействуя с турбулентным потоком, активно выбирает оптимальную гидравлическую зону речного потока как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Учитывая форму тела молоди рыб, было показано, что при воздействии на нее вертикальных составляющих скоростей происходит ее перемещение вверх. При увеличении величины вертикальных составляющих скоростей пробег молоди рыб вниз будет короче ее пробега вверх на величину, пропорциональную квадрату скорости обтекания тела: чем больше вертикальная составляющая скоростей течения, тем на большее расстояние молодь рыб будет вынесена на поверхность реки.
В дальнейшем будем рассматривать шугу, ледовые образования, мусор, топляк и рыбную молодь как механические включения, находящиеся в потоке и которые для успешной работы водозаборных сооружений необходимо не допускать в зону водоотбора.
Решить весь перечисленный комплекс проблем может пневмобарьерный комплекс (ПБК), под которым понимается комплекс устройств и механизмов, осу-
ществляющих выпуск сжатого воздуха через систему перфорированных труб, расположенных на некоторой глубине водоема, для создания восходящих воздушно-пузырьковых завес в заданном районе акватории, что уже в той или иной степени проверено лабораторными и натурными исследованиями [4-9]. Результаты этих исследований, а также опыт эксплуатации ПБК показывают, что в ряде случаев по своим технико-экономическим показателям они могут с успехом конкурировать с другими мероприятиями, применяемыми в тех же целях [4; 8].
Пневмобарьерный комплекс работает следующим образом. В рабочую часть установки (перфорированные трубы) по подводящему трубопроводу подается сжатый воздух. При выходе в водную среду образуются восходящие воздушно-пузырьковые струи, захватывающие механические включения, стремящиеся пройти в зону водоотбора, и поднимают их на поверхность водоема. Поверхностные потоки отводят эти механические включения в сторону от защищаемой зоны.
Подобные ПБК использовались для защиты от шуги и внутриводного льда для руслового водозабора ТЭЦ ГАЗ г. Нижнего Новгорода на р. Оке; на береговых водозаборах хозяйственно-питьевого назначения гг. Пскова, Костромы, Владимира; на ковшевом водозаборе г. Сыктывкара, на водозаборах технического назначения г. Москвы (ТЭЦ ЗИЛ, ТЭЦ 12, ГЭС-1, ТЭЦ 16; ТЭЦ 9; ТЭЦ 20; ТЭЦ 22), на водозаборе магистрального нефтепровода г. Гурьевска, на хозяйственно-питьевом водозаборе г. Нижневартовска и других объектах [7].
Для успешной работы ПБК расход воздуха, подаваемого в активную зону восходящего воздушно-пузырькового потока, необходимо создать течение с вертикальными составляющими скорости, превышающей среднюю скорость течения по вертикали воздействующего на нее потока:
VB > 1,25 ^ 1,55^, где Ve - значение вертикальной составляющей скорости на траектории воздушно-пузырькового потока на расстоянии z = 0,65Н от плоскости истечения воздуха из перфорированных отверстий, м/с; Н - глубина погружения перфорированных труб, м; z - расстояние, отчитываемое от среза отверстий перфорации, м; Ue -средняя скорость течения, действующего на восходящий воздушно-пузырьковый поток.
Значение вертикальной составляющей скорости Veопределяется формулой
V = k ()1/3, В U
max
где qo - расход воздуха на 1 пог. м перфорированных труб, отнесенный к нормальному атмосферному давлению, нм3/с пог. м; Umax - максимальная горизонтальная составляющая скорости сносящего потока, действующая на водовоздушную струю при z = 0,65 Н, м/с; g - ускорение свободного падения, принимаемое равным 9,81 м/с2; к - опытный коэффициент, значение которого, как показывают многочисленные натурные исследования, можно принимать равным 0,75 в диа-
пазоне сносящих скоростей течения, действующих на водовоздушную струю U = 0,2-0,55 м/с и глубинах потока Н = 1,5-6 м; Vm - вертикальная составляющая скорости в восходящем потоке (м/с), которую при отсутствии сносящих скоростей можно определить по зависимости [8]:
Vm = Vo [1 - 0,14/л (z +1)], где V0 - скорость в начальном сечении воздушно-пузырьковой струи, м/с; Z = z/ro - безразмерная координата при z = 0,65-Н; ro - радиус отверстий перфорации, м.
Максимальную горизонтальную составляющую скорости Umax можно определить, используя степенной закон распределения осредненных скоростей [10]:
Ux = Uoh (Z/H)n , где U0H - осредненная скорость на свободной поверхности, м/с; Z - вертикальная координата, отсчитываемая от дна, м; n - показатель степени, зависящий от степени шероховатости русла.
Поперечные размеры области водоотбора береговых водозаборов можно характеризовать двумя линейными параметрами - максимальной (Bmax) и минимальной (Bmin) шириной зоны водоотбора.
Теоретические, а затем и натурные экспериментальные исследования, проведенные на береговых водозаборах на малых реках [8], показали, что ширину минимальной зоны водоотбора, Bmn, можно принять равной глубине потока перед водоприемником - Bmn « Н. Эта величина отсчитывается от нижней кромки водоприемных окон в сторону реки нормально плоскости их входного сечения.
Максимальную величину ширины водоотбора Bmax можно определить по формуле:
в = Ял1 + в (1--
max PQ mn( PQt
-)
где qB - расход водозабора, м/с; В - ширина русла реки, м; Qp - расход русла реки, м3/с; Р - параметр, определяемый по формуле P=(1+n)2 (Z/H)n.
Показатель степени можно определить по формуле Т.Г. Войнич-Сяноженцкого [8].
n = 0,5[(1+4 gV2/ эеОш )1/2- 1], где g - ускорение свободного падения, м/с; Сш - коэффициент Шези, м0,5 /с; ж - константа турбулентности Кармана.
Значение максимальной величины водоотбора у дна значительно превосходит значение в max у поверхности, то есть область водоотбора у дна значительно шире, чем на поверхности. Этот результат теории хорошо согласуется с данными многочисленных наблюдений и объясняет факт интенсивного затягивания донных наносов в отверстия водозаборов [8]. Рабочие трубы ПБК необходимо выносить за пределы зоны водоотбора для перехвата механических включений и недопущения их в зону водоотбора.
На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
- наиболее уязвимой частью объектов водоснабжения являются водозаборные сооружения; в водоприемные отверстия водозаборов попадают шуга, лед, мусор, топляк, наносы. К тому же водоприемники
сами наносят вред рыбному хозяйству;
- ихтиологические исследования показали, что при воздействии на рыбную молодь восходящих турбулентных струй происходит ее подъем в поверхностные слои реки;
- использование пневмобарьерных комплексов для защиты водозаборных сооружений от механиче-
ских включений показало их высокую эффективность.
- для успешной работы ПБК необходимо учитывать поле скоростей в активной зоне выноса механических включений воздушно-пузырьковыми струями, а также ширину зоны водоотбора, за которую необходимо выносить ее рабочую часть.
Статья поступила 28.10.2014 г.
Библиографический список
1. Водозаборные сооружения для водоснабжения из поверхностных источников / А.С. Образовский, Н.В. Ереснов, В.Н. Ереснов, М.А. Казанский. М.: Стройиздат, 1976. 378 с.
2. Железнюков Г.В., Неговская Т.А., Овчаров Е.Е. Гидрология, гидрометрия и регулирование стока. М.: Колос, 1984. 432 с.
3. Пахоруков А.М., Рипинский И.И. Влияние турбулентности потока на вертикальное распределение молоди рыб // Водозаборы для промышленного строительства с рыбозащитны-ми устройствами: сб. тр. М.: Изд-во ВОДГЕО, 1985. С. 41-47.
4. Пособие по проектированию сооружений для забора поверхностных вод к гл. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Нормы проектирования. М.: госстрой, 1986. 270 с.
5. А.с. № 10860634; Е 02В15/02. Шугозащитное устройство водозабора / Т.Г. Войнич-Сяноженцкий, Т.В. Колесникова,Ю
Э.Я. Филиппов, А.М. Мотинов. 1984. Бюл. № 14.
6. А.с. № 1105549; Е 02В9/04. Водозаборное сооружение / В.С. Алексеев, Т.В. Колесникова. 1984. Бюл. № 28.
7. А.с. № 1618018; Е02В8/02. Речное бесплотинное водозаборное сооружение / Т.Г. Войнич-Сяноженцкий, Т.В. Колесникова, Э.Я. Филиппов. 1990. Бюл. № 32.
8. Колесникова Т.В. Гидравлика пневмобарьерных комплексов бесплотинных водозаборов насосных станций на равнинных реках. Владикавказ, 1998. 193 с.
9. А.с. № 1096337; Е 02В8/08. Рыбозащитное устройство водозаборного сооружения / Т.Г. Войнич-Сяноженцкий, Т.В. Колесникова, А.М. Мотинов, В.Т. Цыбочкин, В.Л. Эрслер. 1984. Бюл. № 21.
10. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам. М.: Энергия, 1972. 312 с.
УДК 628.35
ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД НА БИОФИЛЬТРАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЛОСКОСТНОЙ ЗАГРУЗКИ
© Н.А. Макиша1, О.В. Янцен2
Московский государственный строительный университет, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26.
Рассматривается вопрос биологической очистки сточных вод на сооружениях биофильтрации. Отмечается актуальность исследований сооружений данного типа как с точки зрения нового строительства, так и, что более важно, с точки зрения реконструкции имеющихся. Приводятся данные лабораторных исследований работы биофильтра с применением плоскостного загрузочного материала. Получены и описаны положительные результаты, необходимые для проведения дальнейших исследований. Ил. 1. Табл. 5. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: очистка сточных вод; биофильтры; плоскостная загрузка; удаление биогенных элементов.
HYDRAULIC MODELING AND STUDYING OF WASTEWATER TREATMENT PROCESSES ON BIOFILTERS WITH A SURFACE FEED N.A. Makisha, O.V. Yantsen
Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoe Shosse, Moscow, 129337, Russia.
The article touches upon the issues of wastewater treatment at bio filtration facilities. It emphasizes the necessity of studying these types of plants in the context of construction of new plants and reconstruction of the existing ones. The article contains the data obtained in laboratory researches of a biofilter with a surface feed. Positive results necessary for further researches have been obtained and described. 1 figure. 5 tables. 5 sources.
Key words: wastewater treatment; biofilters; surface feed; biogenic compound removal.
1Макиша Николай Алексеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры водоотведения и водной экологии, тел.: 89036602304, e-mail: makishana@mgsu.ru
Makisha Nikolai, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Water Disposal and Aquatic Ecology, tel.: 89036602304, e-mail: makishana@mgsu.ru
2Янцен Ольга Викторовна, аспирант, доцент кафедры водоотведения и водной экологии, тел.: 89299989601, e-mail: yantsenov@mgsu.ru
Yantsen Olga, Postgraduate, Associate Professor of the Department of Water Disposal and Aquatic Ecology, tel.: 89299989601, e-mail: yantsenov@mgsu.ru
