Наносорегулирующее устройство бесплотинных водозаборов малой производительности из горных рек с высокой концентрацией взвешенных наносов

В условиях рыночной экономики основой успешного функционирования сельскохозяйственного комплекса страны является орошение земель, основанное на рациональном использовании земельных и водных ресурсов. В современных условиях особенно актуальной становится задача усовершенствования эксплуатации водохозяйственных объектов, обеспечивающих подачу воды на участки орошения.

Особенно это важно для оросительных систем, питаемых из малых высокомутных рек, где большие трудности создают наносы, поступающие в системы вместе с оросительной водой, В бассейнах рек Северного Кавказа проблема борьбы с заилением оросительных каналов стоит особенно остро. По данным водохозяйственных организаций в 1984 г. затраты на очистку оросительной сети составляли 30%, а в горно-предгорной зоне достигали 60−70% от общих эксплуатационных расходов. Объем очистки оросительных каналов в 1980 г. по стране составил 770 млн. м3, а к 1989 г. достиг 800 млн. м" 5. В предгорных районах Северного Кавказа удельные объемы очистки каналов по дельтовым системам составляли 60−115 м3/га, о в то время как в среднем по стране -15м /га.

В связи с кризисными явлениями в экономике России на оросительных системах Северного Кавказа наблюдается ухудшение мелиоративного состояния орошаемых земель, постепенное разрушение основных водохозяйственных фон, нов, что приводит к снижению" урожайности сельхозкультур. Снижение объемов ремонтно-эксплуатационных работ привело оросительную сеть в неудовлетворительное состояние.

Так в Дагестане за последние 10 лет затраты на содержание и ремонт гидротехнических: сооружений, и, в частности, на очистку каналов, сократились в 8−10 раз, В результате многие каналы заилились на 40−70%, их пропускная способность значительно снизилась, 25−30% орошаемых земель не обеспечиваются водой для регулярных поливов.

В этой ситуации особенное значение приобретает задача сохранения существующих сооружений гидромелиоративных систем и обеспечение надлежащего уровня их эксплуатации.

Наиболее остро задача борьбы с наносами стоит при использовании для орошения воды из горных рек при заборе ее бесплотинными водоза-борми малой производительности, на которых отсутствуют средства защиты каналов от попадания в них взвешенных наносов. Такие водозаборы довольно широко применяются как вспомогательные при крупных водозаборных гидроузлах, так и как самостоятельные источники питания отдельных участков оросительных систем. Строительство отстойников на таких водозаборах было признано экономически нецелесообразным. Каких-либо других эффективных средств защиты от взвешенных наносов не существовало, а применение апробированных на крупных водозаборах инженерных противонаносных мероприятий и решений оказывалось неэффективным в связи с резкими колебаниями параметров потока в водоисточнике. В результате через такие водозаборы взвешенные наносы, в том числе и крупные песчаные фракции, беспрепятственно попадали в оросительную сеть, что приводило к заилению каналов и разрушению сооружений.

Для предотвращения указанного негативного воздействия взвесене-сущих потоков на водохозяйственных системах необходимо разработать достаточно простые легко регулируемые, надежные и экономически обоснованные устройства для регулирования наносного режима водотоков в районе водозаборных сооружений, снижающих попадание в них взвешенных наносов. Расширение применения и количества используемых малых бесплотинных водозаборов из горных рек делает задачу создания при них таких наносорегулирующих устройств особенно актуальной, что и предо. пределйло выбор темы настоящего научного исследования.

Цель работы — разработка и гидравлическое обоснование конструкции наносорегулирующего устройства для бесплотинных водозаборов малой производительности из горных рек с высокой концентрацией взвешенных наносов. 6.

Задачи исследованийустановить принципиальную возможность управления кинематической структурой взвесенееущего потока и перераспределения взвешенных наносов по глубине посредством свободноподвешенных водопроницаемых щитовопределить требования к конструкции наносорегулирующего устройства для трансформации распределения взвешенных наносов по глубине потокаразработать простую, легкорегулируемую и многофункциональную конструкцию наносорегулирующего устройства для бесплотинных водозаборов малой производительности из горных рек с высокой концентрацией взвешенных наносов и значительными колебаниями уровней и скоростей течениягидравлическими исследованиями обосновать параметры предложенной конструкции наносорегулирующего устройства, обеспечивающие требуемую трансформацию распределения взвешенных наносов по глубине потока на необходимой для нормальной работы бесплотинного водозабора длине участка водотокаразработать рекомендации по проектированию одного или каскада наносорегулирующих устройств в составе водозаборного сооружениянаметить, перспективы совершенствования конструкции наносорегулирующего устройства и расширения области его применения.

Автор защищает:

— принципиальную схему и конструкцию наносорегулирующего устройства для бесплотинных водозаборов малой производительности из водоисточников с высокой концентрацией взвешенных наносов и значительным диапазоном колебания уровней и расходов воды в нихданные гидравлических исследований и полученные на их основе математические модели, обосновывающие влияние параметров устройства на трансформацию эпюры скоростей в водотоке и перераспределение взвешенных наносов по глубине потока- 7 методические и практические рекомендации по выбору оптимальных параметров каскада предложенной конструкции наносорегули-рующих устройств, обеспечивающих заданную трансформацию концен-' трации взвешенных наносов перед водозаборным сооружением.

Научную новизну работы составляют: экспериментально установленная принципиальная возможность управлёния структурой течений и трансформации эпюр распределения взвешенных наносов по глубине взвесенесущего потока посредством свободно подвешенных водопроницаемых щитов, размещенных в поверхно- • стных слоях или толще потека под тупым углом к направлению течения в немновая конструкция наносорегулирующего устройства, обеспечивающая перераспределение взвешенных наносов с поверхностной части потока в его придонную частьданные экспериментальных гидравлических исследований и ус-. тановленные на их основе закономерности влияния параметров устройства и речного потока на скоростную структуру деформированного под воздействием наносорегулирующего устройства потокаматематические модели, описывающие степень и характер влияния параметров устройства на кинематические характеристики течений в зоне его влияния.

Практическая ценность работы заключается в рекомендациях по расчету параметров и конструировании многофункционального наносорегулирующего устройства для малых бесплотинных водозаборов из водотоков с высокой концентрацией взвешенных наносов, позволяющего:

— за счет трансформации эпюры распределения наносов по глубине потока снизить количество взвешенных наносов крупных фракций, поступающих в водозаборза счет простоты и гибкости конструкции осуществлять необходимое перераспределение наносов в изменяющихся условиях водотокаулучшать, условия транспорта наносов в придонной части потока за счет увеличения скоростей течения в нейобеспечивать промывку донных отложений на заиленных участках каналов (русел) — создавать условия для предотвращения попадания в водозабор молоди рыб.

Личный вклад автора состоит: в выдвинутой гипотезе о целесообразности применения в устройстве отдельных не скрепленных пластин гибкозакренленных на несущей конструкции, расположенной выше уровня воды в водотокев выполненных лабораторных гидравлических исследованиях и участии в проведении натурных испытаний устройстваматематической обработке данных измерений, анализе математических моделей.

Разработка конструкции в целом, определение стратегии и методик исследований осуществлена совместно с М. Н. Цивиным и О. Л. Кольченко.

Методы исследований. Задачи, поставленныев работе, решались путем лабораторных и натурных гидравлических исследований с использованием методов физического моделирования и планирования экспериментов.

Оценка достоверности научных результатов. Гидравлические исследования выполнены с применением апробированных методик. При Измерениях использовалась оттарированная государственной метрологической службой контрольно-измерительная аппаратура с проверкой результатов посредством статистического анализа.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и были одобрены на: научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Пути ускорения внедрения достижений научно-технического прогресса в практику изыскательских и проектных работ» (г. Ростов-на-Дону, 1988 г.), Всесоюзной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования водных ресурсов в сель9 ском хозяйстве» (г. Новочеркасск, 1989 г.), научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы мелиорации, водохозяйственного строительства и орошаемого земледелия Ставропольского края» (г. Ставрополь, 1989 г.), Республиканском научном семинаре по гидравлике открытых русел и сооружений при КАДИ (г. Киев, 1989 г.), научно-практической конференции «Экологические аспекты мелиорации Северного Кавказа» (г. Новочеркасск, 1990), региональной конференции «Современные проблемы планирования и управления водохозяйственными системами» (г. Новочеркасск, 1990 г.), научно-практической конференции «Вклад молодых ученых и специалистов в решение комплексных проблем мелиорации Дона» (г. Новочеркасск, 1990 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Экономические аспекты эксплуатации гидромелиоративных систем и использования орошаемых земель» (г. Новочеркасск, 1995 г.), научно-практической конференции «Актуальные вопросы мелиорации земель и комплексного использования водных ресурсов» (г. Новочеркасск, 1998 г.), научных семинарах кафедр гидравлики и гидротехнических сооружений НГ’МА (1997;2000 гг.).

Работоспособность конструкции подтверждена в процессе испытаний опытного образца устройства на водозаборе в канал «Подпитывающая Аксыра» из реки Черек.

Публикации. Основные материалы исследований опубликованы в 9 печатных работах, в том числе авторском свидетельстве на изобретение.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, приложений и списка литературы. Общий объем диссертации 204 страницы, в том числе 187 страниц машинописного текста, 60 рисунков, 14 таблиц, 11 приложений и список литературы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. В результате анализа имеющихся научных работ и инженерных решений в области защиты водозаборов от попадания в них взвешенных наносов обоснована, актуальность разработки эффективных конструктивно простых и легкорегулируемых конструкций устройств для управления наносным режимом в водоисточниках перед бесплотинными водозаборами малой производительности, устраиваемыми на реках с изменяющимися глубинами и скоростями течения, количеством и гранулометрическим составом взвешенных и влекомых наносов. Конструкция наносорегулирую-щего устройства для указанных условий должна удовлетворять следующим требованиям: высокий коэффициент сопротивления^, за счет которого будет производиться основное уменьшение скоростидолжна обладать высокими выравнивающими свойствами, то есть в трансформированной эпюре верхняя, замедленная часть потока должна быть равномернойинтенсивность турбулентности, генерируемой устройством, должна быть минимальной, особенно величина вертикальной составляющей пульсационных скоростей- — трансформация эпюры должна осуществляться путем уменьшения скоростей только в верхней части потока, нижняя его часть должна оставаться свободнойконструкция должна выдерживать значительные динамические нагрузки, создаваемые набегающим потокомустройство не должно забиваться плавающим мусором- — конструкция устройства должна быть простой и позволять гибко изменять свои параметры в соответствии с изменением условий протекания потока и транспорта им взвешенных и влекомых наносов;

181 конструкция должна отвечать требованиям многофункциональности и в частности не только перераспределять концентрацию взвешенных наносов, но и способствовать их транспортировке к наносоотводящим трактам, а также обеспечивать смыв отложившихся наносов.

2. Разработана конструктивно простая легкорегулируемая многофункциональная конструкция наносорегулирующего устройства для перераспределения концентрации взвешенных наносов по глубине потока перед бесплотинными водозаборами малой производительности, устраиваемых на водотоках с изменяющимися глубинами и скоростями течения, количеством и гранулометрическим составом взвешенных и влекомых наносов (A.C. № 1 634 746).

3. Обоснована принципиальная возможность трансформации кинематической структуры взвесенесущего потока и перераспределения концентрации взвешенных наносов по глубине потока предложенной конструкцией наносорегулирующего устройства, а также возможность использования его для смыва донных отложений и предотвращения попадания молоди рыб в водозаборы.

4. Гидравлическими исследованиями получены необходимые данные и математические модели, позволяющие оценить и охарактеризовать степень влияния параметров конструкции на трансформацию эпюры скоростей потока по вертикали и перераспределения концентрации взвешенных наносов по глубине для различных условий водотока.

5. Разработана методика выбора оптимальных параметров наносорегулирующего устройства для заданных условий водотока и рекомендации по проектированию каскада наносорегулирующих устройств, обеспечивающего %-ое снижение количества взвешенных наносов, попадающих в водозабор.

6. Дано экономическое обоснование применения конструкции наносорегулирующего устройства и определена перспектива его дальнейшей разработки в направлении расширения спектра условий его применения.