Моделирование и расчет водозаборов Сибири

Проектированию и расчету водозаборов предшествует комплекс гидрологических изысканий, связанных с выбором устойчивого створа реки-водоисточника [1]. По данным изысканий определяют элементы гидравлики потока и морфометрии русла, например связь относительной ширины и формы сечения по расходу, другие гидравлико-гидрологические зависимости.

Выполненные в Сибирском федеральном университете исследования показали, что для коэффициента шероховатости связь с расходом, как правило, обратно пропорциональна, когда малым наполнениям русла соответствуют большие значения его и наоборот. Коэффициент Шези изменяется асинхронно коэффициенту шероховатости, имея тенденцию к стабилизации своего значения на средних и высоких горизонтах. Коэффициент гидравлического сопротивления или трения по Дарси ведет себя при повышении расхода подобно изменению коэффициента шероховатости, т.е. вначале на малых глубинах резко убывает, а затем на средних и больших уровнях плавно уменьшается. Для многих потоков зафиксированы величины расходов и относительной ширины, когда гидравлическое сопротивление минимально [2]. Объясняется это тем, что с ростом расхода убывающее на средних и вышесредних горизонтах сопротивление возрастает из-за того, что поток (до выхода на пойму) начинает затапливать свои русловые макро- и мезоформы – косы, побочни, осередки, другие неровности дна и берегов, не задействованные во время межени, хотя относительная ширина при этом продолжает монотонно убывать до самого пика гидрографа. Поэтому две функции, гидравлическое сопротивление и относительная ширина в зависимости от расхода равнонаправлены, а их связь между собой при разработанной потоком форме сечения имеет минимум. Имея прямую пропорциональность с расходом, гидравлический уклон, принимаемый по уклону свободной поверхности как для равномерного режима, при больших наполнениях русла начинает стабилизироваться. Его связь со средней скоростью или со скоростным напором имеет параболический характер и подлежит дальнейшему исследованию и обобщению для разных типов русел разной водности. С коэффициентом шероховатости и относительной шириной гидравлический уклон связан в обратной пропорции, и это станет понятным, если учесть, что, например, большим уклонам соответствуют и большие расходы, а большим расходам сопутствуют малые величины коэффициента шероховатости. При увеличении относительной ширины уклон снижается – на малых расходах потери капора у потока также невелики, когда он с минимальной затратой энергии течет в широком русле с большой относительной шириной. Поскольку связи расхода – с уклоном с одной стороны и расхода с относительной шириной и формой русла с другой, на графиках этих характеристик разнонаправлены, то обратная пропорциональность между уклоном и относительной шириной фиксирует то обстоятельство, что меженные потоки с малыми уклонами имеют и широкие (т.е. с большой относительной шириной) русла. Мутность от взвешенных наносов, включая ее наибольшую концентрацию во время паводков (порядка, например, 1000 г/м3), на изменение гидравлического сопротивления, оцениваемого коэффициентом трения по Дарси, практически не влияет [1].

В рамках оборотных систем водоснабжения необходимо решать вопросы подпитки систем водой. В этой связи достаточно актуальна разработка надежного узла водозабора. Предложенные конструкции отвечают ряду новых требований по рыбозащите, но при этом не имеют дви-– 408 – жущихся узлов или узлов, подверженных засорению и требующих периодической промывки (сетки, фильтрующий материал и т.д.). Водоприемник для неглубоких водоемов представляет собой вихревую камеру щелевого типа с рыбоотгораживающим коробом. Забор воды производится из нижних слоев воды, при этом не затрагиваются верхние и средний слои воды, где наблюдается максимальная концентрация молоди рыб. Водоприемник имеет небольшие размеры по высоте, что позволяет использовать его в неглубоких водоемах. Вторая конструкция представляет собой модификацию водозабора фуникулерного типа. На платформе установлено зонтичное рыбозащитное устройство круглой или прямоугольной в плане формы. Напорные трубы могут перемещаться по направляющим вместе с платформой. Положительной стороной в предложенной конструкции является работа её весь сезон в одном положении и относительно низкая стоимость. Для обеспечения работы конструкции в одном положении необходимо обеспечить её установку под минимальный уровень воды в водоёме.

Бурный рост развития производственных сил Восточной Сибири требует решение задачи по интенсификации систем водоснабжения и повышению их производительности. Одной из эффективных систем водоснабжения, позволяющих получать (питьевую) воду без применения сложных в строительстве и дорогостоящих в эксплуатации очистных сооружений, признаны инфильтрационные водозаборы [4, 7, 8]. Особенностью эксплуатации инфильтрационные водозаборов является снижение во времени их дебита вследствие кольматации руслового аллювия в зоне активного влияния сооружений. Наиболее точный расчет производительности данного вида сооружений может быть получен только за счет привлечения двух- или трехмерной постановки задачи о процессах кольматации с учетом начальных и граничных условий [1]. Система нелинейных уравнений, описывающая этот процесс, при гидрогеологических расчетах подрусловых инфильтрационных водозаборов в случае двухмерной задачи имеет следующий вид:

• 1)    уравнение движения (гидродинамического давления):

• # 'f Hl y 6Н I-o,

Xx V Xx ) Уу V Уу )

К где Y = —т----7; К - коэффициенты проницаемости; ц - коэффициент динамической вязкости;

М1- р )

ρ – концентрация взвешенных наносов; Н – гидродинамический напор;

• 2)    уравнение неразрывности (конвективного массопереноса):

  ( 1 - _Z + дт

  
  

  qx+

  m о(1 - р )L

  
  

  . др _ h .

  q y         ( 1 ^е

  
  

  - p )f дт

  
  

где m ₀ – начальная пористость руслового аллювия; q_x q_y – удельный расход соответственно по направлениям ( x ) и ( y ); ζ – насыщенность руслового аллювия взвешенными наносами в процессе кольматации; ε – пористость осевшей массы наносов; τ – время;

• 3)    уравнение кинетики процесса кольматации (массообмена) [9]:

6Z = F(PZ), ОТ где

F(p,Z) = Я p

V

—

a 0Z  I

Z0 — Z J,

где ζ 0 – максимальная (предельная) насыщенность; λ , α 0 , ζ – постоянные коэффициенты.

Начальные и граничные условия системы могут быть:

H (0,r ) = 0,    H (hт ) = H 10 );

p(x ,0) =

0 , x >  0

Po (0); x = 0

p ( 0, T ) = p ( t )

Z ( x ,0 ) = 0

при

К q =--- qradH .

Ц

Теоретически и экспериментально-натурным подтверждением выявлено приближенное постоянство фактических и фиктивных расходов ( К – фиктивный расход – произведение ширины потока В на максимальную глубину в сечении Н и наибольшую поверхностную скорость υ), имеющее ряд практических приложений.

Определение расхода по наиболее доступным для измерения элементам его фиктивного значения Q = KBHV требует минимальной натурной информации, т.е. не нужно определение измерения площади живого сечения, наибольшую поверхностную скорость измеряют поплавками, а графические действия аппроксимируют линейной функцией.

Интер- и экстраполировать расход в основном русле, на пойме и в каньонном створе с вертикальными берегами необходимо в последних двух случаях при изломе связи расхода с его фиктивным значением. Так, для пойм линейный график связи фактических (ордината) и фиктивных (абсцисса) расходов имеет излом по абсциссе. Для малоизученных или совсем неизученных потоков наиболее простым способом экстраполяции здесь является метод аналогий, где за основу принимается движение в пойменном створе с приблизительно одинаковыми природными условиями. Для p. Каса (Большого Каса) и Малого Каса в междуречье Оби и Енисея, например, угол излома связи фактических и фиктивных расходов на соответствующих графиках приблизительно равен 20 °C [3, 8]. Рассмотрим это постоянство как константу гидравлического подобия при натурном моделировании открытых потоков, например канала, отводимого от реки-источника. Гидравлическое подобие при натурном моделировании будет соблюдено, если К для естественного аналога (реки) и нового искусственного потока (канала) имеет одинаковую величину. Коэффициент формы русла при этом для канала должен быть равен таковому для аналога при расходе последнего, равном для канала. Аналог подразумевается с устойчивыми формами русла, источником информации служат натурные данные Гидрологических ежегодников по бассейнам, где пройдет трасса канала.

Международный стандарт по измерению расхода в открытых потоках методами исследования поля скоростей ИСО 748-73 основой для измерения считает произведение скорости на – 410 – площадь, т.е. Q = ΣU Δω, где U – произвольная точечная скорость на элементарной площадке Δω живого сечения ω.

Учитывая это, можно представить следующие варианты приближенного определения расхода, включая известные зависимости с коэффициентами К 1 и К 2 , отношениями средней скорости по сечению (υ) к средней скорости на поверхности (υ _пов ) и средней по сечению к наибольшей по поверхности ( V ) и где ВН – фиктивная площадь сечения (в м²), BV – величина с размерностью удельного расхода hυ = Q / B в м²/с и HV – величина, пропорциональная удельному расходу:

^K 1 ®^и пов ,

К 20)V ,

Q =^

K ₃ BHV , K 4 BH ,

K ₅ BH ,

_ K 6 HV ,

K1 uunog k2 - uv

K 3 - Q/BHV ' к 4 - Q/BH

K 5 - Q/BV

K 6 - Q/HV

Числовые значения размерных коэффициентов в этих формулах подлежат определению для конкретных типовых случаев рек и ручьев. Так, для верхних плесов Енисея и его протоков с галечно-гравелистым и малоразмываемым руслом K 4 = 1,50 м/с, K 5 = 4,0 м, K 6 = 16,7 м. Последние три зависимости по определению расхода удобно распространять на правильные русла до выхода потока на пойму. Погрешность вычислений

• 100%

a Q -^

Qk 1

- ^k- I • 100%

^Q еж )

где Q еж – расходы, приводимые в Гидрологических ежегодниках и принимаемые за контрольные величины; Q j ^ - расходы, вычисленные по предлагаемым здесь формулам при среднеарифметических значениях коэффициентов К с индексами 3, 4, 5 и 6.

Рост водопотребления и развитие промышленности в Красноярском крае потребовали решения проблемы отыскания рациональных способов забора воды из поверхностных источников. В этой связи актуальна задача совершенствования известных решений и разработка принципиально новых конструкций водоприемников для условий шугоносных сибирских рек. Одним из методов повышения надежности, в частности борьбы шуголедовыми осложнениями, а также обеспечение надежной рыбозащиты является снижение малых скоростей на входе в водоприемнике, вплоть до 0,1-0,05 м/с. Необходимо и создание равномерности распределения г                  г удельных расходов вдоль развитого водоприемного фронта в режимах забора и промывки обратным током. Это ставит вопрос о целесообразности применения на реках Сибири водоприемников с различными вихревыми камерами и водоприемными отверстиями, оборудованными фильтрующими рыбозащитными устройствами как удовлетворяющих этим требованиям [10]. Действующие типовые проекты пока ограничены производительностью водозабора 1,5 м3/с на одну самотечную трубу, а суммарная длина водоприемника при этом достигает 5065 м, что не всегда приемлемо для местных условий водоема.

Известны оголовки с увеличенной площадью водоприема при малых габаритах водозабора, что дает возможность использования новых решений при реконструкции. Отличие разработанных конструкций от известных заключается, главным образом, в конфигурации входных устройств, которым придается объемная сегментная форма. Съемные фильтрующие кассеты, выдвинутые в поток цилиндрической или колоидальной поверхностью, устанавливаемой вдоль или поперек направления потека, позволяют увеличить площадь водоприемных окон до 2–2,5 раз. Предлагаемые водоприемники с открытыми вихревыми камерами, с сегментными фильтрами на входе (заполнение керамзитобетоном, тополимербетоном) имеют достаточно широкие пределы применения и допускают различные конструктивные исполнения для любых гидрологических условий, диапазонов производительностей. Забор воды из рек с недостаточными глубинами с малыми скоростями течения в меженный период года, в т.ч. водоемов (υ ≤ 0,1 м/с, Н = 3–4 м), осуществляется объемными фильтрами с цилиндрической поверхностью, ограниченной сверху и снизу сегментными козырьками, позволяющими селективно отбирать воду из средних слоев потока. При увеличенных скоростях 0,1 < υ < 0,4 0,1 м/с, во избежание появления зон повышенного давления с верховой по течению стороны выпуклых в поток кассет, регулирование распределения удельных расходов бокового притока осуществляется переменной степенью выпуклости кассет по длине камеры. Следует отметить, что более равномерно втекание достигается поворотом водоприемной грани к направлению транзитного течения (γ÷15°), при этом предпочтителен односторонний забор, не «реагирующий» в отличие от двухстороннего на несимметричное обтекание. Для обеспечения надежной эксплуатации при наличии поверхностной шуги входные устройства целесообразнее выполнять с коноидальной водопроницаемой поверхностью, скошенной под острым углом к потоку и ограниченной сверху козырьком. Для более полного использования фильтрующей поверхности рекомендуется блок кассет, устанавливаемый вдоль потока по всей длине камеры, разделенной на отдельные панели ребрами жесткости. Конструкция с двухсторонним забором воды обеспечивает равномерность втекания по длине фронта практически при любых скоростных режимах, но требует более значительных глубин, строгой ориентации водоприемной грани в потоке, а также нашивки клинообразного элемента при υ > 0,15 м/с со стороны верхового бокового козырька.

Результаты детальных лабораторных исследований предлагаемых конструкций используются при разработке типового проекта «Затопленные водоприемники с рыбозащитными устройствами производительностью 1–3 м3/с». Рекомендации по проектированию и расчету вихревых водозаборных камер увеличенной производительности использованы в проекте реконструкции внеплощадочного водоснабжения Ирша-Бородинского угольного разреза в Красноярском крае.

Таким образом, проведенное исследование позволило разработать метод проектирования водозаборных сооружений меньшей трудоемкости без привлечения результатов дорогостоящих натурных измерений.