Проектирование водозаборных сооружений сибирских регионов

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, о чем уже упоминается в

В рамках оборотных систем водоснабжения необходимо решать вопросы подпитки систем водой. В этой связи достаточно актуальной является разработка надежного узла водозабора. Предложенные конструкции отвечают ряду новых требований по рыбозащите, но при этом не имеют движущихся 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 – это модификация 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 выступает 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 решения задачи по интенсификации систем водоснабжения и повышения их производительности [3]. Одной их эффективных систем водоснабжения, позволяющих получать (питьевую) воду без применения сложных в строительстве и дорогостоящих в эксплуатации очистных сооружений, служит применение инфильтрационных водозаборов. Особенностью эксплуатации инфильтрационных водозаборов является снижение во времени его дебита вследствие коль-матации 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)    уравнения движения (гидродинамического давления):

а Г ан ) а Г ан ) _

I YI + I Y1 = °, ах l ах J ay ( ay J

К где у = —-,----r; K - коэффициенты проницаемости; ц - коэффициент динамической вязкости;

Д1 - Р)

ρ – концентрация взвешенных наносов; H – гидродинамический напор;

• 2)    уравнение неразрывности (конвективного массопереноса):

, др      1       др     др

- ( 1 - = - р )^ д т

1qx+ qy дт mQ (1 - р)L х дx   у ду где m0 – начальная пористость руслового аллювия; qx qy – удельный расход по направлениям (x) и (y) соответственно; ζ – насыщенность руслового аллювия взвешенными наносами в процессе кольматации; ε – пористость осевшей массы наносов; τ – время;

• 3)    уравнение кинетики процесса кольматации (массообмена) [4]:

Z = F (p,Z), дт где

f ( р , с ) = х р - а о ^- , I ^z 0 ^{- z} )

где ζ ₀ – максимальная (предельная) насыщенность; λ , a ₀, ζ – постоянные коэффициенты. Начальные и граничные условия системы могут быть:

H (0т )= 0.    H (h т )= H 1(т );

.       [ 0, x >  0

р(x,0)=^    , х ;

[ Р0 (0); x = 0

р(0,т )=р(т)

Z X ,0 ) = 0

при

К

q =---qradH.

P

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° [3]. Возможно рассматривать 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 площадь, т.е. Q = ΣU Δ ω , где U – произвольная точечная скорость на элементарной площадке Δ ω живого сечения ω .

Учитывая это, можно представить следующие варианты приближенного определения расхода, включая известные зависимости с коэффициентами K 1 и K 2 отношениями средней скорости по сечению (υ) к средней скорости на поверхности (υ _пов ) и средней по сечению к наибольшей по поверхности ( V ), 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 WV . Q =\K 3 BHV . K 4 BH . K 5 BH . 1 K 6 HV .

K 1 -Uuno« K ^ = U V K 3 = QBHV K 4 = Q/BH K 5 = QBV K 6 = QfHV

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

A Q =

[ ^Qеж Q k ) ₁₀₀ % Q

I 1 - ^vk I . 100%

о

IV Qеж)

где Q_еж – расходы, приводимые в Гидрологических ежегодниках и принимаемые за контрольные величины; Q _k – 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 [3] 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 с шуголедовыми осложнениями, а также обеспечения надежной рыбозащиты является снижение малых скоростей на входе в водоприемнике, вплоть до 0,1-0,05 м/с. Необходимом является и создание равномерности распределения 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, удовлетворяющих эти требования. 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.

В Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете сотрудниками кафедры водоснабжения были предложены 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, позво-– 236 – ляют увеличить площадь водоприемных окон до 2–2,5 раза. Предлагаемые водоприемники с открытыми вихревыми камерами, с сегментными фильтрами на входе (заполнение керамзи-тобетоном, 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<0,40,1 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 равномерное 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 методы проектирования водозаборных сооружений меньшей трудоемкости без привлечения результатов дорогостоящих натурных измерений.