Методы и средства рыбозащиты на водозаборах

Для систем коммунального водоснабжения по ряду причин имеющиеся РЗУ оказались малоприемлемыми. Здесь нужны простые в эксплуатации рыбозащитные ме­тоды и устройства, не требующие постоянных ихтиоло­гических наблюдений. Они должны быть рассчитаны так­же на воздействие шуголедовых факторов, наносов, биологических обрастаний и др. Достаточно надежно обеспечивают рыбозащиту без каких-либо дополнитель­ных РЗУ русловые затопленные водоприемные оголовки, если скорость обтекания их речным потоком в 3...4 раза превышает скорость входа воды в водоприемные отвер­стия. Разумеется, что оголовки не должны располагать­ся в местах сосредоточения рыбы. В противном случае требуются дополнительные меры рыбозащиты. Так, на одном из водозаборов из Волги в Ярославле отмечалось массовое вовлечение в водоприемник не только молоди, но и взрослых особей рыбы, в связи с чем в 1980 г. был построен новый оголовок в большом удалении от берега, а старый выключен из работы.

На водозаборе из Волчихинского водохранилища сис­темы водоснабжения Свердловска действует РЗУ, рассчитанное на пропуск расхода около 14 м³/с. РЗУ пере­крывает под прямым углом вход в водоподводящий ка­нал и представляет собой сложную конструкцию, вклю­чающую сороудерживающие решетки с рыбозащитными кассетами, забральную стенку, подъемно-транспортную и промывную системы. Скорость потока на подходе к РЗУ принята 0,1 м/с. Столь малые скорости потока обус­ловили большую ширину водоприемного фронта (72,8м), соответствующее расширение и углубление входной час­ти канала. Рыбозащитным элементом служит кассета размерами 2X4X0,31 м, заполненная пластмассовыми шариками диаметром 40 мм, изготовленными из поли­этилена. Кассеты вставляют в каркас сороудерживающей решетки размерами 4,3X4,17X0,64 м (две кассеты на одну решетку), который в свою очередь вставляют в пазы водоприемных окон. В каждую кассету загружено 26,5 тыс. шариков. Для промывки кассеты вынимают на поверхность; промывка производится в специальном по­мещении.

Во ВНИИ ВОДГЕО В. Н. Ересновым под руководст­вом А. С. Обр азовского проведены исследования, связан­ные с гидравликой фильтрующих кассет и с их усовер­шенствованием [15]. Для загрузки кассет применяли керамзит крупностью зерен d = 20...25 мм и пористостью р=0,45, щебень d=20...30 мм, р=0,45 и d=40...60 мм, р=0,48, пластмассовые, резиновые и деревянные шари­ки. Рекомендуемая толщина кассеты с зернистой загруз­кой b_к = 3...5d.

На некоторых водозаборах нашли применение пакет-но-реечные деревянные рыбозащитные кассеты (рис. 33). Пакетно-реечная кассета представляет собой панель, собранную из 2...4 пакетов деревянных (перекрывающих­ся) реек прямоугольной или квадратной формы попереч­ного сечения. Внешний, омываемый речным потоком, пакет состоит из 2...3 слоев реек сечением 13X13 мм, рас­положенных с шагом 25 мм. Этот пакет имеет наимень­ший размер ячеек. Средний пакет состоит из реек 25Х Х25 мм с шагом 50 мм, а внутренний — соответственно 50X50 и 100 мм. Пакеты плотно прижимаются один к другому и стягиваются металлической рамой, вставляе­мой в направляющие пазы водоприемных окон. При та­кой конструкции кассеты она надежно обеспечивает за­щиту рыбы и задержание сора, не закупоривается и лег­ко промывается обратным током воды. Пористость пакетно-реечных кассет р=0,5, а вес в набухшем со­стоянии 160...170 кг на 1 м². Скорость фильтрации воды через них, как и через керамзитовые и щебеночные кас­сеты, рекомендуется принимать vф=0,1...0,12 м/с.

Укрводоканал проектом, запроектировано фильтрую­щее поворотное рыбозащитное устройство (рис. 34) для береговых водозаборов на р. Северский Донец системы водоснабжения промпредприятий Северодонецка. Произ­водительность водозаборов 200.. .300 тыс. м³/сут. РЗУ представляют собой металлические сетчатые кассеты, заполненные фильтрующим материалом — керамзитом. Отличительной особенностью их является то, что кассе­ты, имея шарнирную пяту и поплавок, меняют свое по­ложение в зависимости от уровня воды в источнике, обеспечивая тем самым постоянство фильтрующей пло­щади и, следовательно, скорости фильтрования (уф = = 0,1 м/с). Такое решение позволило избежать увеличе­ния ширины водоприемного фронта, чего нельзя было до­стичь без строительства ковша.

Возможность рыбозащиты на водоприемных оголов­ках без устройства специальных РЗУ А. С. Образовский рекомендует [25] оценивать как соотношение скоростей

v_a/K₂ > v_в<v_кр,

где v_a — средняя скорость течения в реке, м/с; Kz — ихтиологичес­кий параметр; /С2=у_а/а_в = 3...4; v_b — скорость втекания воды в сжа­том сечении водоприемного отверстия, м/с; и_кр — критическая ско­рость течения в реке, м/с; v_Kp = K₁lp (K₁ — ихтиологический пара­метр, K₁ = v_KP/lp = 5...15; lр — расчетная длина тела рыб, l_р = 15... 20 мм).

Требования рыбозащиты на водозаборах систем ком­мунального водоснабжения в ряде случаев могут быть удовлетворены при выполнении следующих рекоменда­ций [23]:

на реках со скоростью течения v_а>0,3 м/с следует применять водоприемники с входными скоростями в 3...4 раза меньшими, чем скорость течения в реке, и устанавливать на водоприемных окнах жалюзийные ре­шетки;

на реках с v_a<0,3 м/с и водохранилищах — приме­нять затопленные фильтрующие ряжевые оголовки со съемными кассетами с загрузкой из щебня, керамзита, полимерных материалов, а также с пороэластовыми и керамзитобетонными кассетами. На водохранилищах во­доприемники дополнительно оборудовать системой водовоздушной защиты;

на приплотинных водозаборах устанавливать конус­ные сетки со сбросом сора и молоди рыбы в нижний бьеф, а также применять затопленные водоприемники с вихревыми камерами и импульсной обратной промывкой;

на водоприемных ковшах обычного типа — устраи­вать запани. Самопромывающиеся ковши, обеспечиваю­щие наиболее надежный отбор воды при сложных гидро­логических и геоморфологических условиях на реках, позволяют комплексно решить задачу защиты водопри­емников от наносов, шуги и захвата молоди рыбы.
4. Русловые процессы и защита водозаборов от наносов


Рис. 35. Типизация русловых процессов (по ГГИ)

1 — ленточно-грядовый тип; 2 — побочневый тип; 3 — ограниченное меандриро­вание; 4 — свободное меандрирование; 5 — незавершенное меандрирование; 1а — русловая многорукавность; 5а — пойменная многорукавность (стрелка указывает направление нарастания транспортирующей способности потока)
Чтобы при проектировании и эксплуатации водозабо­ров оценить воздействие на них наносов, необходимо учи­тывать характер развития русла реки и поймы на выб­ранном участке и, следовательно, знать основные типы русловых процессов. Согласно разработанной Государ­ственным гидрологическим институтом (ГГИ) типиза­ции, выделяют 7 типов русловых процессов — макроформ (рис. 35): ленточно-грядовый; побочневый; ограниченное меандрирование; свободное меандрирование; незавершенное меандрирование; русловая многорукавность; пойменная многорукавность. Следует учитывать, что на­ряду с явно выраженными русловыми процессами могут происходить переходные или смешанные процессы: например, ограниченному меандрированию может сопут­ствовать побочневый тип, русловой многорукавности — ленточно-грядовый и др. Знание характера руслового процесса позволяет правильно оценить воздействие на­носов на работу водозаборов и применить наиболее рациональные средства защиты. Ниже дано краткое описание основных типов русловых процессов.

Ленточно-грядовый тип. Цепи гряд наносов вытянуты по ширине русла и движутся постоянно, при­останавливаясь только в период низкой межени, и тогда вершины гряд, обнажаясь, образуют отдельные осеред-ки. Расстояние между гребнями гряд (шаг гряд) в 4... 8 раз превышает ширину русла в бровках меженных берегов. Данный тип наблюдается в верховьях рек при отсутствии поймы; на других участках он может со­путствовать незавершенному (в спрямляющих про­токах) или свободному меандрированию (в начальных стадиях).

Побочневый тип. Ленточные гряды, перекошен­ные в плане, в противоположных направлениях сползают в половодье. Размываемые участки берегов прикрывают­ся сползающими побочнями, гребни которых периодиче­ски размываются при спаде паводка и восстанавливают­ся в половодье. Шаг гряд превышает ширину русла. В межень побочни, а частично и гряды обнажаются, об­разуя песчаные отмели, за ними тянутся подводные ко­сы, создающие затоны. Пойма выражена слабо.

Ограниченное меандрирование. В резуль­тате размыва пойменных массивов излучины сползают вниз по течению без существенного изменения плановых очертаний и профиля дна. Перекаты, образующиеся на перегибах русла, размываются в межень и восстанавли­ваются в периоды паводков. Плесы, наоборот, размыва­ются в половодья и заносятся в межень. Пойменные про­цессы (намывы, размывы) протекают активно, массив поймы нарастает в высоту. При высоком половодье на пойме возможны транзитные течения.

Свободное меандрирование. Излучины по­лучают замкнутый цикл развития — от искривления рус­ла до отторжения петли. Углы разворота потока увели­чиваются, излучины сползают, вытягиваются, перешеек сужается, и наконец образуется прорыв, спрямляющий русло. Перекаты на перегибах русла представляют собой перекошенные в плане гряды, переходящие в пляж выпуклого берега нижерасположенной излучины. Русло од-норукавное. Плесовая ложбина у сильноразвитых излучин разделена перевалом. Пойма широкая с гривистым релье­фом и старицами подковообразных очертаний.

Незавершенное меандрирование. Излу­чины на промежуточной стадии развития (до получения формы петли) спрямляются протоком в результате глу­бокого затопления поймы и большого совпадения дина­мических осей потока в половодье и в межень. По спрямленному руслу протока интенсивно транспортиру­ются наносы, в нем последовательно устанавливается побочневый, ленточно-грядовый или осередковый тип руслового процесса. В результате перемещения наносов в главное русло (ниже по течению протока) меандриро­вание его дополняется образованием сползающих гряд и побочней.

Русловая многорукавность. Осередки и гряды интенсивно деформируются и сползают, переме­щаются границы русла вследствие меандрирования про­токов и интенсивного обрушения берегов (явление дей-гиша). Поток перегружен донными наносами. В песчаных руслах с большим уклоном рельеф дна может пол­ностью изменяться в течение нескольких часов, воздей­ствию дейгиша могут быть подвергнуты многокиломет­ровые участки. В руслах из гравийно-галечниковых отложений деформации происходят лишь при высоких па­водках, но протекают они очень интенсивно. Пойма име­ет основной характер. Наблюдается русловая многору­кавность чаще всего в предгорных и устьевых участках рек.

Пойменная многорукавность. Спрямле­ние охватывает многочисленные излучины с образовани­ем длинных пойменных протоков без четко выраженных признаков основного русла. Главные протоки соединены вторичными и создают на пойме единую водную сеть. В протоках самостоятельно развиваются различные формы русловых процессов. Пойма широкая, затапливается на большую глубину.

Рис. 36. Связь уровней воды (1) и отметок дна (2) р. Куры

а — на плесе; б — на перекате
При устройстве и эксплуатации водозаборов важно знать также локальные особенности перемещения нано­сов на плесах и перекатах при всех типах русловых про­цессов. При подъеме уровня воды в периоды паводков плесы обычно подвергаются размыву за счет более ин­тенсивного, чем на перекатах, возрастания скорости потока. На перекатах же, наоборот, происходит отложение наносов (рис.36), могущее достигать на крупных реках, например на Волге, Дону, Днепре, 5...6 м.

При всех типах руслового процесса в руслах рек об­разуются мелкие песчаные гряды — микроформы, при движении которых происходит периодическое изменение донного рельефа с активным перемещением наносов в придонном слое. Водозаборные сооружения, размещен­ные без учета этого, будут подвергаться отрицательному воздействию наносов: частичному или полному перекры­тию водоприемных отверстий отложениями, снижению пропускной способности самотечных или сифонных тру­бопроводов, накоплению наносов в береговых колодцах и т. д., что подтверждается приведенными ниже приме­рами.

Защитить оголовки на действующих водозаборах от воздействия наносов не менее сложно, чем от внутривод-ного льда. К тому же последствия от наносов оказыва­ются более продолжительными и тяжелыми: наносы от­лагаются в оголовках и самотечных линиях, береговых колодцах, камерах реакций и отстойниках водоочистных станций, вызывая осложнения в работе не только водо­заборов, а в целом головных сооружений водопроводов. Надежность защиты водозаборов от наносов достигается при комплексном решении задач на основе глубокого изучения особенностей поверхностных источников.

Примером неудачного расположения водозабора в отношении воздействия наносов может служить водоза­бор на р. Суре, построенный в 50-х годах. Еще до окон­чания строительства выявилась угрожающая подвижка вышерасположенного побочня, имеющего длину около 2,5 км. Из расчета размыва ухвостья побочня у водоза­бора были установлены хворостяные полузапруды, но это не дало ожидаемого эффекта. Затем в побочне была выполнена прорезь, которая быстро заносилась. На ос­нове моделирования была построена донная струенаправ-ляющая стенка (порог) в виде свайного ростверка высо­той 0,6 и длиной 40,8 м. Но только применение земснаря­дов позволяло поддерживать работу водозабора и то непродолжительный период. В последующем на этом во­дозаборе была построена струенаправляющая дамба, обеспечившая улучшение режима наносов у водоприем­ника. Однако в результате интенсивного размыва берега на вышерасноложенном участке в 1978 г. (рис. 37) и вызванного этим активного перемещения побочня на во­дозаборе вновь возникла аварийная ситуация и необхо­димость расчистки русла земснарядами. И только со строительством нового (приплотинного) водозабора обеспечена требуемая надежность забора воды.

Особенно интенсивное перемещение наносов в виде подводных гряд происходит в нижних бьефах плотин в результате изменения руслоформирующих процессов. Например, на Волге скорость движения песчаных гряд достигает 1...3 км в год, а протяженность участков с ак­тивным перемещением наносов 200 км. Гряды крайне не­равномерно распределяются по дну реки; наибольших размеров они достигают в местах сопряжения склонов побочней и осередков с плесовыми лощинами.

Отрицательное воздействие руслоформирующих про­цессов проявляется в отложении наносов у водоприем­ников, в повышении отметки дна реки у водоприемных окон до уровня порога и даже выше и вовлечении нано­сов внутрь водозаборных сооружений. Другим проявле­нием руслоформирующих процессов может быть размыв русла с подмывом водоприемников и самотечных линий, что бывает значительно реже.

Рис. 37. Размыв берега р. Сура у водозабора Пензы

По мере отложения наносов у водоприемных окон мо­гут образоваться воронки, по стенкам которых сползает песок. Равновесное состояние при этом легко нарушает­ся, и окна оказываются частично, а нередко и полностью завалены песком. Аналогичная ситуация была в 1977 г. на Чемском водозаборе из Новосибирского водохранили­ща. Первоочередной мерой обеспечения подачи воды при этом должна быть расчистка водоприемника с использо­ванием эжекторов и гидромониторов, которую выполня­ют водолазы. В последующем должна быть расчищена значительная часть акватории водозабора с помощью земснарядов, гидромониторных судов и др.

На ковшовых водозаборах старой конструкции большая часть наносов отлагается в периоды паводков во входной части ковша, в водоворотной зоне, образуя отмель. При спаде паводка отмель обнажается, высту­пает из воды и перекрывает (частично или полностью) вход в ковш, создавая аварийные ситуации, имевшие место на ковшах в Рубцовске, Искитиме, Барнауле и других городах. На рис. 38 показана универсальная пла­вучая машина УПМ-2 на разработке отмели в ковше на р. Алей.



Рис. 38. Расчистка входа в ковш на р. Алей с использованием универсальной плавучей машины УПМ-2
В усовершенствованных, самопромывающихся ков­шах А. С. Образовского, например, на р. Кубань в Армавире наносы размываются и удаляются речным потоком. Несвоевременная или неполная чистка ковша может повлечь дополнительные осложнения в период ледостава из-за перекрытия входа шуголедовой массой, что имело место ра одном из ковшей на Оби в Барнауле, где для расчистки входа в аварийной обстановке был применен взрывной метод с использованием накладных зарядов. Наиболее характерными в отношении влияния наносов на работу оголовков являются водозаборы Канска, Томска, Тары, Хабаровска, Кирова, Волгограда и др.

При обследовании водолазами оголовка Канского водопровода выявлено, что примерно 50 % поверхности площади его водоприем­ных окон занесено песком, а самотечные линии подмыты на значи­тельной длине. В данном случае заносу оголовка благоприятствова­ло неудачное размещение его в русле — ниже острова по течению реки в зоне аккумуляции наносов. Работавший в аналогичных усло­виях оголовок водопровода Тары (р. Иртыш) неоднократно полно­стью заносился песком. Работа водозабора резко осложнилась со времени зарегулирования стока вышерасположенной плотиной ГЭС, изменившей гидрологический режим потока на выбранном участке реки. Дальнейшая эксплуатация этого оголовка стала невозможной.

Нарушение естественного гидрологического режима реки яви­лось также основной причиной осложнений в работе водозабора Томска. Выемка гравия в большом объеме для строительных целей из русла Томи ниже по течению от этого водозабора повлекла сни­жение уровня воды в реке на 1,4 м на участке расположения трех оголовков. Происходило ежегодное (последовательное) снижение уровней, что вызвало недопустимое уменьшение глубины речного потока у водозабора и вмерзание в ледяной покров одного из ого­ловков. В период весенней подвижки льда один конец этого оголов­ка был приподнят на 0,6 м и были сорваны верхние венцы ряжа. В летнюю межень верх оголовка стал обнажаться, у водоприемных окон образовывались водоворотные воронки, через которые подса­сывался воздух и происходил срыв вакуума насосов. Вызванные этим перебои в работе водозабора были устранены установкой над водоприемными окнами плавающих щитов.

Снижение уровней, вызвавшее увеличение скоростей потока у водозабора, повлекло также изменение режима наносов, в резуль­тате чего второй оголовок был полностью занесен песком и грави­ем. На первом и третьем оголовках происходили, кроме того, интен­сивный размыв грунта со стороны примыкания самотечных линий и отложение наносов у водоприемных окон, из-за этого самотечные линии на участке длиной до 20 м оказались подмытыми. Потребо­вались срочные меры по защите оголовков и самотечных линий от разрушения.

Ниже дан ряд примеров из опыта Сибирского управ­ления Росводоканалналадки (И. Д. Козлов, О. Н. Дег­тярев) по защите водозаборов от наносов.

Водозабор на Амуре представлен двумя рус­ловыми оголовками с вихревыми аванкамерами и пото­лочным приемом воды, двумя самотечными линиями, водоприемным колодцем, совмещенным с насосной стан­цией I подъема. От уреза воды при ГМВ оголовки уда­лены соответственно на 200 и 230 м и затоплены на 7...8 м. С самого начала эксплуатации они подвергались интенсивному воздействию наносов, так как, будучи рас­положенными ниже по течению устья протоки, они ока­зались вблизи ухвостья осередка в зоне интенсивных руслоформирующих процессов с грядовым движением наносов. К тому же, учитывая значительное содержание донных наносов в месте расположения оголовков, высо­та порога водоприемных окон (1,5 м) оказалась недоста­точной. Оголовки аналогичной конструкции, работающие в подобных условиях на Волге и Каме, имеют высоту порога 3...4 м и не испытывают таких осложнений отвоз-действия наносов.

Помимо затруднений на водозаборе песчаные нано­сы на Амуре резко увеличили износ насосов станции I подъема, ухудшили технологию осветления воды.


Рис. 39. Дополнительный оголовок на водозаборе из Амура

1 — самотечный трубопровод; 2 — оголовок; 3 — патрубок; 4 — опорная рама
Очистка сооружений от наносов потребовала больших трудозатрат, только из камер реакции и отстойников бы­ло удалено более 8 тыс. м³ песка. Замеры содержания наносов в речном потоке в створе водозабора и наблюде­ния за руслоформирующими процессами показали, что наиболее благоприятные условия в отношении наносов имеются в том же створе, но примерно на 100 м ближе к берегу.

В соответствии с техническими разработками Сибир­ского управления Росводоканалналадки Гипрокоммун-водоканалом в кратчайшие сроки был выполнен проект нового оголовка с расчетной производительностью 125 тыс. м³/сут и площадью водоприемных окон 7,64 м². Конструкция его (рис. 39), форма и размеры приняты исходя из следующих условий: простота изготовления, использование стандартных элементов, минимальное со­противление потоку, максимальное возвышение над дном реки. Оголовок был установлен в феврале 1977 г. со льда с помощью автокрана. На месте установки водолазами с помощью гидромониторов был разработан котлован, на вскрытом самотечном трубопроводе d=1400 мм выполнено отверстие размером 2X0,5 м, установлен патрубок, на котором смонтирован оголовок. Для увеличения жест­кости сделана опорная металлическая конструкция. После монтажа оголовка котлован был замыт местным грунтом, дно вокруг него укреплено каменной наброской, а отверстия действующего оголовка заглушены металли­ческими листами.

С подключением нового оголовка поступление нано­сов в водозаборные сооружения сократилось в 2,8 раза. Вместе с тем перемещение места отбора воды положи­тельно сказалось на фракционном составе отложений. Если раньше в наносах, отлагавшихся в водоочистных сооружениях, преобладали песчаные частицы d=0,25 мм, то после установки нового оголовка отложения в каме­рах реакции на 30...40 % состоят из илистых частиц, в отстойники же песчаные частицы не проникают совсем.

В последующем (1978 г.) такой же оголовок был ус­тановлен на второй самотечной линии, что позволило до­стичь требуемой надежности работы водозабора. Эконо­мическая эффективность от снижения затрат на очист­ку только отстойников и камер реакции составила 29,4 тыс. руб.

Водозабор на Вятке руслового типа с тремя водоприемными оголовками, как и на Амуре, оказался в мае 1976 г. (в период спада паводка) на грани останов­ки. Обильное вовлечение наносов привело к снижению пропускной способности самотечных линий, к прежде­временному износу запорной и регулирующей арматуры, насосов, отрицательно сказалось на работе очистных со­оружений и в конечном итоге привело к снижению про­изводительности водопровода.

На расстоянии 1200 м выше по течению от водозабо­ра сформировавшийся в русле Вятки песчаный осередок делит ее на два рукава. Ближе к водозабору русло рас­ширяется, достигая в его створе 240...260 м, скорость по­тока при ГМВ снижается до 0,3...0,5 м/с, происходит обильное выпадение наносов и уменьшение глубины по­тока в межень до критической. Построенные в 1975 г. у противоположного от водозабора берега четыре затап­ливаемые при паводках полузапруды позволили увели­чить глубину у оголовков, но одновременно активизиро­вали русловый процесс — перемещение песчаных наносов в виде гряд высотой 1,2...1,5 м. Вовлекаясь в водоприем­ные окна, наносы эти отлагались по всему водозаборному тракту и в количестве до 10 м³/сут проникали на во­доочистные сооружения.

Для ликвидации аварийной обстановки все три ого­ловка были реконструированы с переходом от бокового приема воды к потолочному. С этой целью перед водо­приемными отверстиями на всю высоту оголовка были установлены металлические короба из листового железа толщиной 3 мм, изогнутого в виде полуокружностей ра­диусом 1,5 м и усиленного ребрами жесткости. Крепле-лие коробов осуществлено к вбитым в дно реки сваям. Сверху короба оборудованы сороудерживающими ре­шетками с прозорами 50 мм, что обеспечивает скорость .входа воды в водоприемные отверстия 0,2. ..0,3 м/с. Уста­новке коробов предшествовали обследование оголовков водолазами, расчистка их от топляков и углубление дна у водоприемных окон струей гидромонитора. Благодаря такой реконструкции порог водоприемных окон был под-лят на 1,7 м и поступление наносов в оголовки прекра­тилось. Аналогичным образом ранее был реконструиро­ван один из водозаборов на Волге в системе волгоград­ского водопровода. В отличие от предыдущего здесь ко­роб выполнен в форме самого оголовка (но больших раз­меров) и затем надет на него. Изменяя порог водоприем­ника и осуществляя другие меры по защите водозаборов ют наносов в условиях грядового их движения, нужно учитывать параметры гряд, обеспечивая забор воды с минимальной мутностью (рис.40). При этом результаты натурных измерений, производимых, как правило, в пе­риод летней межени, необходимо уточнять теоретически­ми расчетами также для других сезонов года.

Высоту гряд, м, установившегося профиля в межень определяют по формуле В. С. Кнороза

где Н — глубина потока на участке расположения водоприемника, м; v_а — средняя скорость потока, м/с; v_ap — неразмывающая скорость, м/с, определяемая по формуле v_ap = l,3Vgdlg 14,7 H/d^0,15 (g — ус­корение силы тяжести, м/с²; d — средний диаметр донных отложе­ний, м).

При H>1 м по формуле Б. Ф. Снищенко и 3. Д. Ко-палиани:

где Fr=v_a/VgH — число Фруда; о_нр — неразмывающая скорость по В. Н. Гончарову, м/с; v_ap = 3(Hd/d_9Q% )^0,2(d+0,0014)^0,3.

Рис. 40. Изменение мутности воды некоторых рек Сибири (среднемесячные показатели)

При отсутствии необходимых для расчета данных вы­сота гряд может быть определена по приближенным за­висимостям Б. Ф. Снищенко при Н<1 м, h_г = 0,25Я, при H> 1 м, h_Г= (0,2...О,1)H. При прохождении половодья высота гряд h'_r в полосе активного движения наносов увеличивается и достигает ориентировочно h_г=2,5h'_г.

Длина гряд 1_Т, м, установившегося профиля в межень может определяться по формулам Б. Ф. Снищенко:

где С — коэффициент Шези, м^0,5/с,

или для приближенных расчетов l_Г=4,2H, а в поло­водье — lг = 2,5 l_г.

Скорость смещения микроформ С_г, м/с, следует опре­делять по формуле Б. Ф. Снищенко и 3. Д. Копалиани

С_г = 0,019и_арг³.
5. Повышение надежности работы водозаборов
Результаты обследования большого числа водозабо­ров свидетельствуют о том, что известные на практике методы и средства повышения надежности их работы ис­пользуются еще недостаточно полно, а задача эта решается нередко путем строительства новых водоприемных сооружении без достаточного на то основания

Водозаборы рассчитываются, как известно на эк­сплуатацию не только в обычных, но и в редко повторя­ющихся (экстремальных) условиях: при образовании заторов и зажоров, переформировании русла реки раз­витии зоо- и биопланктона, изменении гидрологического режима источника вследствие зарегулирования стока перераспределения его в многорукавном русле и т д Наконец, могут быть и скрытые на самих водозаборных сооружениях причины осложнений: неплотности во вса­сывающих трубопроводах, зарастание их внутренних по­верхностей и засорение, повреждение подводных соору­жении и коммуникаций и т. д.

Указанные факторы нередко (особенно в суровых климатических условиях Сибири и Крайнего Севера) проявляются на одном и том же водозаборе в совокуп­ности: чаще всего (это снижение уровня, шуголедовые процессы и наносы) предельно осложняя отбор воды из источника Примером может служить водозабор на р. Правая Паужетка (п-в Камчатка), донный водоприем­ник которого после шугохода неоднократно оказывался закупоренным гравийно-галечниковой смесью

По методике А. С. Образовского еще на стадии изыс­кании и проектирования необходимо всесторонне оцени­вать условия забора воды (табл. 9), место расположения водозабора, характер источника, конструкцию водопри­емника и технологию отбора воды; давать прогноз воз­можных изменений режима реки на весь период работы водозабора, санитарных и других условий и на этой ос­нове выбирать технологическую схему водозабора 1таол. Ю). Схема а — секционированный водозабор устраиваемый в одном створе; схема б — секционирован­ный водозабор, устраиваемый в одном створе но при Двух и более водоприемниках, размещенных как отдель­ные сооружения или скомпонованные как водоприемник усовершенствованного комбинированного типа- схема в — водозабор, расчлененный на два узла, устроенных в Двух створах, удаленных на расстояние, исключающее возможность одновременного возникновения осложняю­щей обстановки.

Таблица 9. Условия забора воды из рек

Характе­ристика ус­ловий забора ВОДЫ	Показатели, характеризующие условия
	наносы, устойчивость берегов и дна	шуга и лед		другие факторы
Легкие	Незначительное количество нано­сов; вполне устой­чивое ложе водое­ма	Слабое внутри-водное ледообра­зование. Ледостав умеренной (0,8 м) мощности, устой­чивый		Отсутствие в ис­точнике обраста-телей (ракушек, водорослей). Ма­лое количество за­грязнений и сора.
Средние	Взвешенные нано­сы с р=1,5 кг/м3 (средняя за паво­док) . Русло и бе­рега устойчивые с небольшими се­зонными дефор­мациями	Обильное внутри-водное ледообра­зование, прекра­щающееся с уста­новлением ледо­става, обычно без значительного шу-гозаполнения рус­ла и образования шугозажоров. Ле­достав обычно устойчивый, мощ­ностью <1,2 м, формирующийся с полыньями		Наличие сора, во­дорослей, обра-стателей в количе­ствах, не вызываю­щих существен­ных помех данно­му водопотреби-телю. Лесосплав, молевой и плота­ми. Судоходство
Тяже­лые	Взвешенные на­носы с р> 1,5 кг/м3. Русло подвижное с эпизодическими значительными пе­реформирования­ми берегов и дна, вызывающими из­менение отметок дна до 1...2 м	Неустойчивый ле­дяной покров с не­однократными шу-гоходами и значи­тельным шугоза-полнением русла при ледоставе, в отдельные годы с образованием шу­гозажоров и ледя­ных заторов. Уча­стки нижнего бье­фа ГЭС в зоне не­устойчивого ледо­става		То же, но в коли­чествах, сущест­венно затрудняю» щих работу водо­забора и сооруже­ний водопровода
Очень тяже­лые	Взвешенные нано­сы р>5 кг/м3. Русло неустойчи­вое, систематиче­ски и случайно из­меняющее плано­вые и высотные формы		Формирование ле­дяного покрова только при шуго-зажорах, вызы­вающих подпор; транзит шуги под ледяным покровом в течение большей части зимы. Воз­можность нале­дей и перемерза-ний русла. Ледо­ход с заторами и большими навала­ми льда на берега	—

Надо заметить, что данная методика рекомендуется для осредненных природных условий и в основном при­менительно к водозаборам средней производительности (1...6 м³/с). Следовательно, принятый по этой методике тип водозабора меньшей производительности будет иметь более высокую степень надежности, а большей произво­дительности, наоборот, меньшую надежность. Очевидно, в последнем случае должны предусматриваться допол­нительные эксплуатационные меры по повышению на­дежности работы водозабора.

Наряду с правильным выбором типа водоприемника надежность работы водозабора обеспечивается также секционированием отдельных элементов: водоприемни­ков, самотечных и сифонных подводящих трубопроводов, приемных и всасывающих камер береговых колодцев. Секционирование является обязательным для водозабо­ров I и II категорий надежности подачи воды.

Всесторонняя оценка условий позволяет еще на ста­дии проектирования обоснованно принять степень надеж­ности забора воды:
Степень надежности Режим отбора забора воды

I........ Бесперебойный отбор расчетного расхода воды

II........ Отбор расчетного расхода с возможностью кратковременных перерывов или временно­го снижения

III........ Отбор расчетного расхода с возможностью прекращения подачи воды до суток

В определяющей степени все это должно быть подчи­нено обеспечению требуемой надежности подачи воды:

Категория надежно- Режим подачи

сти подачи воды

I....... Допустимо снижение подачи не более 30 %

расчетного расхода в течение до 3 сут, пе­рерыв в подаче или снижение ниже указан­ного предела до 10 мин.

II.......Допустимо снижение подачи не более 30 %

до 15 сут, перерыв в подаче или снижение­ниже указанного предела до 6 ч

III....... Допустимо снижение подачи не более 30 %

до 15 сут, перерыв в подаче или снижение ниже указанного предела до суток.
Таблица 10. Надежность работы водозаборов из поверхностных источников

Степень надеж­ности забора воды	Типы водоприемных устройств	Категории надежности подачи воды в условиях
		легких			средних			1 тяжелых
		Схемы водозабора
		а	6	в	а	б	в	а	б
I	Береговые незатапли­ваемые водоприемники с водоприемными отвер­стиями, всегда доступны­ми для обслуживания, с необходимыми ограж­дающими и вспомога­тельными сооружениями и устройствами	I			I			II	I	I
II	Затопленные водопри­емники всех типов, уда­ленные от берега, прак­тически недоступные в отдельные периоды года	I	—	—	II	I	—	III	II	I
III	Нестационарные водо­приемные устройства: плавучие фуникулерные	II	I		III	III	II-
		III	II	—	—	—	—	—	—	—

Проверку соответствия водозаборов требуемой кате­гории надежности подачи воды следует производить по табл. 10.

Для надежности отбора воды важное значение имеет исполнение затопленных (подводных) сооружений водо­забора в строгом соответствии с нормативами строитель­ства: возвышение низа водоприемных отверстий должно-быть не менее 0,5 м над дном реки, расположение верха оголовков не менее 0,2 м ниже уровня ледостава, заглуб­ление самотечных и сифонных линий в дно реки и т. д.

Реальные природно-климатические и другие условия» нередко бывают сложнее тех схематизированных, кото­рые рассматриваются на стадии проектирования, вследствие чего даже на обоснованно выбранном типе водозабора полностью не исключаются аварийные ситуа­ции.

Из практики эксплуатации водозаборов на меандри-рующих и многорукавных реках известно немало приме­ров, когда из-за отторжения (частичного или полного) излучин и проток нарушается режим работы водоприем­ных устройств. Такие случаи чаще встречаются на малых и средних реках (например, Алей), но известны и на крупных (Иртыш, Лена и др.), где этому иногда способ-ствуют русловыправительные мероприятия, осуществля­емые в интересах судоходства. В 1975 — 1978 гг. при рас­чистке одной из проток Иртыша и перемещения в нее судового хода протока, используемая для водоснабжения, стала мелеть, быстро заноситься наносами и водозабор оказался отрезанным от основного русла реки. В резуль­тате земснарядами пришлось разрабатывать подводящий канал.

Ю. С. Демьяненко описывает случай, когда на вновь построенном водозаборе создалась угрожающая ситуа­ция из-за интенсивного размыва и спрямления русла ре­ки (рис. 41). Частичное, а затем и полное отторжение вышерасположенной излучины интенсифицировало раз­мыв берега и создало условия для разрушения перешей­ка основной излучины, на которой размещен водозабор.

Рис. 41. Водозаборы на меандриру-ющей реке

1 — действующий водозабор; 2 — участок интенсивного размыва бе­рега; 3 — спрямляющий канал; 4 — отторгнутая излучина; 5 — проек­тируемый водозабор
По мере отторжения из­лучины скорость потока в ней уменьшалась, изме­нился гидрологический режим, происходило ин­тенсивное осаждение на­носов, и, наконец, излучи­на превратилась в стари­цу. Тенденция к этому же создалась и на основ­ной излучине. В ка­честве профилактичес­ких мер по обеспечению работы водозабора было рассмотрено два варианта: укрепление берега на пере­шейке основной излучины и спрямление русла путем строительства канала через перешеек смежной излучины. Оба варианта давали лишь временное улучшение усло­вий забора воды с неизбежными большими эксплуатаци­онными затратами по поддержанию режима источника в последующем. В конечном итоге было признано целесо­образным построить новый водозабор у коренного берега на вышележащем устойчивом участке реки. К тому же этот участок, хотя и более сложный для строительства, был менее отдален от водопотребителей. Очевидно, та­кое расположение водозабора при первоначальном вы­боре места для него позволило бы существенно снизить стоимость водопровода.

В последние годы все чаще приходится решать задачи повышения надежности работы водозаборов при сниже­нии уровня воды в источнике, вызванном углублением его русла в связи с добычей песчано-гравийных строи­тельных материалов. Выемка грунта из русел рек (на­пример, Оки, Оби, Томи и др.) для строительных целей достигает иногда таких размеров, что уровень воды сни­жается на 2 м и более. Характерными в этом отношении можно считать водозаборы на Томи и Оби. Русло реки на одном из водозаборов из Оби для Новосибирска врезается до коренных пород, скорость руслового потока во время ледостава 0,9...1 м/с. До зарегулирования реки продолжительность периода формирования ледяного по­крова составляла 5...16 сут, после зарегулирования — 35 сут. Формирование устойчивого ледяного покрова за­канчивается к 5...10 декабря, но вскоре у водозабора вновь образуется полынья. Работа водозабора в шуголе-довые периоды стала все более и более осложняться. Одной из главных причин этого явилось чрезмерное сни­жение ГНВ в предледоставный период, когда слой воды над верхом оголовка составлял всего 0,75...! м и плыву­щая шуга слоем толщиной 1,5...2 вовлекалась в водопри­емные окна. Снижение ГНВ ниже расчетного, как пока­зали наблюдения, является следствием размыва русла реки в нижнем бьефе ГЭС и отбора большого количест­ва грунта без учета условий работы водозабора. С 1960 по 1975 г. отбор грунта из русла Оби для строительных целей составил около 20 млн. м³, в результате чего на участке расположения водозабора ГНВ при шугоходе через 18 лет (1957 — 1975 гг.) оказался ниже проектного на 0,7 м. Этому способствовала также барьерная роль плотины ГЭС, уменьшившей поступление наносов в ниж­ний бьеф: до строительства ГЭС твердый сток у Новоси­бирска составлял 6,5 млн. м³/год, а к 1975 г. снизился до 4,5 млн. м³/год.

Для поддержания требуемого уровня (1,4 м над вер­хом оголовка), при котором уменьшается воздействие шуги на работу водозабора, осуществляется непроизво­дительный сброс воды на ГЭС, что ведет к преждевре­менной сработке водохранилища. Следовательно, при проектировании водозаборов на зарегулированных участ­ках рек надо учитывать возможную посадку уровней во­ды не только за счет изменения режима сброса и размыва русла, но и за счет возможного расширения масшта­бов отбора грунта из реки. Разумеется, необходимо упо­рядочить также отбор грунта в зоне наибольших русло­вых переформирований с учетом нужд всех водопользо­вателей.
6. Повышение устойчивости работы насосных станций I подъема
Условия работы насосных станций на водозаборах (станции I подъема) сложнее, чем станций на очистных сооружениях, сетях и др., где воду забирают из промежуточных емкостей. Резкие колебания уровня воды в источнике (особенно в нижних бьефах ГЭС), увеличение сопротивления в решетках из-за их засорения или обле­денения, снижение пропускной способности подводящих трубопроводов — все это сопровождается снижением уровня воды в водоприемном колодце и, следовательно, увеличением высоты всасывания насосов. Очень часто это приводит к срыву вакуума насосов, их остановке и перерывам в подаче воды. Чтобы избежать этого, в про­ектах все чаще применяют насосные станции I подъема с расположением насосов под заливом, что влечет за собой дополнительные капиталовложения.



Рис. 42. Схемы аварийного переключения коммуникаций и дополнительного оборудования водозаборов

1 — водоприемная камера; 2 — камера всасывания; 3 — плавающий щит; 4 — напорный трубопровод к эжектору; 5 — дополнительный всасывающий трубо­провод; 6 — вакуум-котел; 7 — сифонный трубопровод; 8 — герметичное пере­крытие; 9 — вакуум-насос
Как известно, предельная вакуумметрическая высота всасывания (6...7 м вод. ст.) обеспечивается лишь в не­которых конструкциях центробежных насосов. Большин­ство же из них имеет значительно меньшую высоту вса­сывания; с превышением ее происходят не-только срывы в работе насосов, но и возникает кавитация, сопровож­дающаяся ухудшением показателей работы насосов и разрушением отдельных их деталей.

Практикой эксплуатации проверен ряд методов и средств повышения устойчивости работы насосов при увеличении высоты всасывания (рис. 42): установка ва­куум-котлов, погружных насосов, оборудование всасыва­ющих раструбов диафрагмами и плавающими щитами; соединение всасывающих трубопроводов насосов с само­течными линиями; оборудование всасывающих патруб­ков эжекторами; вакуумирование камер всасывания в береговых колодцах.

Вакуум-котлы обеспечивают удаление воздуха, выде­ляющегося из воды во всасывающей системе трубопро­водов, и тем самым предотвращают срыв работы насосов. Установка вакуум-котлов целесообразна на подво­дящих сифонных трубопроводах, а также на всасываю­щих трубопроводах большой протяженности (особенно при раздельно расположенных насосной станции I подъ­ема и берегового колодца) и прежде всего, когда всасы­вающие трубопроводы уложены выше оси насоса. При­менительно к вновь проектируемым водозаборам уста­новка вакуум-котла позволяет уменьшить заглубление сифонных и всасывающих трубопроводов и тем самым снизить стоимость их строительства.

На действующих водозаборах горизонтальные насо­сы заменяют погружными, когда другие методы и сред­ства обеспечения устойчивости работы насосных станций оказываются неэффективными. Устанавливают погруж­ные насосы непосредственно в камеры всасывания; осо­бенно они применимы при реконструкции водозаборов. На вновь проектируемых водозаборах, как уже отмеча­лось, погружные насосы применяют в условиях большой амплитуды колебания уровня воды в источнике (напри­мер, на водохранилищах), когда возникает необходи­мость заглубления берегового колодца до 20 м и более. Установка погружных насосов позволяет в данном слу­чае уменьшить размеры насосной станции и тем самым сократить капиталовложения.

Дополнительные переключения в коммуникациях во­дозаборов (например, соединение всасывающих трубо­проводов насосов с самотечными линиями) рассматрива­ют иногда не только как противоаварийное мероприятие, но и как средство увеличения производительности водо­заборов при благоприятных условиях. Расчет водозабо­ров ведется на экстремальные условия, однако в отдель­ные периоды, например устойчивого ледостава, условия забора воды существенно облегчаются, что позволяет вре­менно осуществлять забор воды в форсированном ре­жиме.

Одним из способов повышения устойчивости работы водозаборов в условиях чрезмерного снижения уровня во­ды в источнике (в водоприемном колодце) является уве­личение вакуумметрической высоты всасывания насосов, в частности, за счет создания высоконапорной струи воды во всасывающем трубопроводе насоса. На основе специ­альных исследований, выполненных во ВНИИ ВОДГЕО В. Ф. Тольцманом, изучены гидравлические явления и установлены закономерности взаимодействия основного потока всасывания и потока струи, которая создается соплом, устанавливаемым во всасывающем трубопрово­де. Для получения положительного эффекта сопло надо устанавливать на расстоянии от насоса не менее пяти диаметров трубопровода.

Увеличение допустимой высоты всасывания насосов рекомендуется при этом определять по формуле ДЯ-=C(d_c/D)^m(v^a/2g),

где опытный коэффициент С = 4,07, показатель степени m = 7/3; d_c — диаметр сопла, мм; v — скорость потока струи на выходе из соп­ла, м/с; D — диаметр всасывающего трубопровода, мм; g — ускоре­ние силы тяжести.

Для практических целей ДЯ удобнее определять с помощью номограммы (рис. 43). Допустим, требуется увеличить высоту всасывания на водозаборе . на 2 м (ДЯ=2 м) при диаметре всасывающего трубопровода D = 500 мм и напоре насоса (напоре истечения струи) H = v²/2g=70 м. Соединив на номограмме соответству­ющие точки шкал и продолжив линию до пересечения с третьей шкалой, получим d_c/D = 0,12 и, следовательно, d_c = 0,12 D = 60 мм. Описанный метод увеличения высо­ты всасывания рекомендуется применять не только для действующих, но в некоторых случаях и для вновь про­ектируемых водозаборов, так как он позволяет умень­шить заглубление насосных станций I подъема и тем са­мым снизить их стоимость.

В периоды низких (критических) уровней воды в ис­точнике, а следовательно, и в береговом колодце работа насосов может нарушаться также по причине малого за­паса воды во всасывающих камерах, что приводит к под­сосу воздуха. Чтобы избежать этого, при устройстве бе­регового колодца должна быть обеспечена конструктивно-технологическая связь параметров водозабора по зависимости Wi/qi> 30...35 (где Wi — объ­ем воды во всасывающей камере, м³; qi — расход воды, откачиваемой из этой камеры, м³/с). С этой же целью водо­приемные отверстия вса­сывающих труб необходи­мо заглублять не менее чем на h, м:

h > 8,5q_i/(0,785D_к),

где D_K — диаметр колодца, эквивалентного по площади всасываю­щей камере, м.
Кроме того, должно обеспечиваться условие h>2D. Во избежание подсоса отлагающихся в береговом колод­це наносов низ раструба должен быть расположен на расстоянии не менее 0,5 D от дна колодца.

На действующих водозаборах при нарушении устой­чивости работы насосов по причине подсоса воздуха де­лают диафрагмы на раструбах всасывающих труб или плавающие щиты, препятствующие образованию воздуш­ных воронок и срыву вакуума. Диафрагмы обычно дела­ют из листовой стали и приваривают к раструбам, а пла­вающие щиты — из досок, сколоченных в обхват верти­кальных стояков всасывающих трубопроводов. При этом щиты могут перемещаться только по вертикали.

Повышение устойчивости работы насосных станций I подъема путем вакуумирования береговых колодцев заключается в их герметизации (прежде всего перекры­тия) и дополнительном оборудовании вакуум-установка­ми (рис. 42г). Для этой цели могут быть использованы вакуум-насосы ВВП-12 или РМК-3 (один рабочий, вто рой резервный). При любых габаритах современных бе­реговых колодцев потребная величина вакуума в них мо­жет быть достигнута в течение 5... 10 мин. Уровень воды в колодце регулируют впуском воздуха под перекрытие, для чего на всасывающем трубопроводе вакуум-насосов устанавливают специальный патрубок. Кроме повышения устойчивости работы насосов вакуумирование водозабор­ных колодцев позволяет повысить их производительность. Расход (м³/ч) в условиях вакуумирования можно оп­ределять по формуле

где F — площадь самотечного трубопровода, м²; Aft — перепад в уровнях воды в водоеме и приемной части колодца при отсутствии в нем вакуума, м вод. ст.; hвак — величина вакуума, м вод. ст.; £сист — коэффициент сопротивления системы, E_Сист=Лl/D+S£ (Л, — коэффициент трения движения воды в трубопроводе; l — длина тру­бопровода, м; D — диаметр трубопровода, м; S£ — сумма коэффи­циентов сопротивления, учитывающая местные сопротивления).

В 1982 — 1983 гг. по предложению В. В. Балыгина, В. И. Соловьева и И. Г. Котова данный способ был при­менен на одном из водозаборов Новосибирска, что обес­печило устойчивую его работу при критическом уровне воды в реке и благодаря этому намного уменьшило не­производительный сброс воды из водохранилища ГЭС. Ранее этот способ был внедрен на инфильтрационных шахтных колодцах в Красноярске и позволил существен­но увеличить их производительность (исследования Ю. В. Якунина).

жүктеу/скачать 1.9 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: