3679

На правах рукописи

Введенский Олег Германович

РАЗРАБОТКА ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЩАДЯЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДНЫХ ПОТОКОВ

ДЛЯ ПРОПУСКА РЫБ НА НЕРЕСТ ЧЕРЕЗ ГТС

Специальность 03.00.16 - «Экология»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Йошкар-Ола - 2001

Работа выполнена на кафедре Водных Ресурсов Марийского государственного техническогоуниверситета

Защита состоится 26 декабря 2001 г. в 8°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.115.01 в Марийском государственном техническом университете по адресу: 424000, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина 3, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Марийского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 424000, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина 3, Мар.ГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.115.01.

3 Общая характеристика работы

Актуальность темы. Внутренние моря, реки, озера, водохранилища России богаты ихтиофауной, как ни в одной другой стране. В них воспроизводится почти 90% осетровых и более 60% лососевых.

Строительство гидротехнических сооружений на реках страны, являвшиеся традиционными путями миграции рыб, резко изменили условия воспроизводства рыб, особенно проходных и полупроходных, сократились ареалы их обитания. Изменившиеся условия воспроизводства рыб, заставили принять ряд мер по искусственному воспроизводству рыбных запасов. Однако теория и практика рыбного хозяйства показали, показали, что без сохранения естественного нереста невозможно обеспечение качественного воспроизводства большинства видов рыб. Построенные рыбопропускные сооружения имеют ряд существенных технологических и технических недостатков.

Приведенные выше обстоятельства свидетельствуют о необходимости создания более рационального, экологически безопасного и эффективного способа привлечения и перевода рыб из нижнего бьефа гидроузла в верхний бьеф и разработки, на основе этого способа, конструкции рыбохода, отвечающего современным требованиям.

Цель работы и задачи исследований. Изучить явление распространения двух рядов параллельных гидравлических струй и их взаимодействие между собой, а так же изучить возможность использования противодавления создаваемым потоком, образованным параллельными струями, в качестве нейтрализатора встречного течения при пропуске рыб, идущих на нерест, из нижнего бьефа гидроузла в верхний бьеф.

Дан достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

1. выполнить анализ существующих технических средств и технологий пропуска рыб через гидроузлы;

2.произвести литературный поиск современных технолого-биологических аспектов пропуска рыбы через гидротехнические сооружения;

3.разработать способ, позволяющий осуществлять эффективное привлечение

ибезопасный перевод рыб из нижнего бьефа гидроузла в верхний бьеф;

4.разработать конструкцию рыбохода для осуществления рыбопропуска через плотины в период нереста;

5.разработать технологическую схему рыбопропуска;

-6. выполнить оценку эффективности разработанной технологии рыбопропус-

ка при внедрении ее в производство. 1

I Методика исследования. В процессе проведения исследований были ис-пользо- ваны теоретические и экспериментальные методы. Теоретические исследования

основывались на использовании ypaвнений гидродинамики, известных положений гидростатики и высшей математики. Экспериментальные исследования проводи-

лись на модели в масштабе 1:10 с учетом положений теории и практики моделирования объектов гидромеханики.

Достоверность результатов основывается на достаточно большом объеме экспериментального материала и его обработке методами математической статистики с применением компьютерных технологий. Приборы, использованные в лабораторныхэкспериментах,прошлитарировку.

Сформулированные в диссертации научные положения, выводы и рекомендации обоснованы теоретическими решениями и экспериментальными данными, полученными в работе, и не противоречат известным положениям теории гидравлических струй и возбужденных ими потоков; базируются на строго доказанных выводах о возможности использования водных потоков для пропуска рыб через ГТС; согласуются с известным опытом проектирования рыбопропускных сооружений и совершенствования технологий рыбопропуска.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Теоретические разработки по обоснованию возможности использования водного потока, образованного двумя рядами параллельных гидравлических струй, в качестве нейтрализатора встречного течения в рыбоходах с целью привлечения и беспрепятственного пропуска рыб, идущих на нерест.

2.Конструкция рыбохода лестничного типа для пропуска рыб через ГТС и принцип его работы.

3.Результаты теоретических и экспериментальных исследований водных потоков, используемых в предлагаемой конструкции рыбохода.

4.Технологическая схема работы рыбохода рассматриваемой конструкции. Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке нового

подхода к проблеме пропуска рыб через плотины, основанного на принципе нейтрализации встречного течения в рыбоходах, предоставляющего возможность несложного регулирования скорости водного потока по всей длине рыбохода.

Для этого впервые:

- теоретически и экспериментально обоснованы методы использования водных потоков, образованных двумя рядами параллельных гидравлических струй, в решении проблемы эффективного и безопасного перевода рыб через плотины, имеющей важное народно-хозяйственное значение;

изучены основные закономерности водного потока, образованного двумя рядами параллельных гидравлических струй, для создания им гидравлического упора;

-составлены математические модели рассматриваемых физических явлений;

-установлено наилучшее расположение струеобразующих насадков по пери-

метру рыбопропускного отверстия, их размеры и их количество; - разработан новый способ привлечения и перевода рыб из нижнего бьефа

гидроузла в верхний бьеф, на основе которого предложена новая конструкция рыбохода с технологическими схемами его работы, защищенными патентами на изобретения.

Практическая значимость. Найдены новые технические решения в техно-логи- ческих процессах пропуска рыб из нижнего бьефа гидроузла в верхний бьеф на базе использования водных потоков, образованных параллельными струями, внедрение которых позволит повысить технический уровень, экономическую эффективность и экологическую безопасность рыбопропуска. Полученные аналитическиезависимости и выводы могутбыть использованы при проектировании рыбоходов подобных конструкций и разработке технологических схем их работы.

Даны рекомендации по использованию результатов исследований в других областях техники.

Научные результаты по созданию привлекающего потока используются при организации рыбопропуска через шлюзы плотины. Кроме того, итоги работы используются в учебных процессах специальностей 320600 и 030600 в качестве тех- нико-технологического материала при изучении курсов "Комплексное использование водных ресурсов" и "Гидравлика" в Марийском государственном техническом университете и Марийском государственном педагогическом институте, а так же привыполнениидипломных(курсовых)проектов.

Практическая значимость выполненной работы подтверждена актами внедрения результатов научно-исследовательских и технологических работ. '

Личный творческий вклад автора заключается в обосновании темы, опре-деле- нии целей и задач исследования, в получении аналитических выводов по обоснованию возможности использования двух рядов параллельных струй для пропуска рыб, в проектировании и изготовлении лабораторной установки, в проведении экспериментов, обработке и анализе данных, а так же в обосновании технологической схемы работы рыбохода предлагаемой конструкции.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на постоянно действующей Всероссийской междисциплинарной научной конференции "Вавиловские чтения" (Йошкар-Ола, 1997, 1999 гг.), на Всероссийских науч- но-практических конференциях "Водные ресурсы и экологически ответственное природопользование" (Йошкар-Ола, 1999,2001 гг.), на межрегиональной научнопрактической конференции "Региональные проблемы строительного и дорожного комплексов" (Йошкар-Ола, 2000 г.), на научно-технических конференциях Марийского государственного технического университета по итогам научно-исследова- тельских работ (1998,1999,2001 гг.), на межвузовских научно-практических конференциях по итогам научно-исследовательских работ, проводимых Марийским государственным пединститутом (1998...2001 гг.). Результаты работы экспонировались на Республиканской выставке научных достижений (Йошкар-Ола, 1999 г.), по направлению "Технологии, оборудование, конструкции, механика, материалы".

Опубликованные работы. По теме диссертации опубликовано 20 работ общим объемом 7,3 печатных листа, получено 4 патента на изобретения: патент РФ №2130990; патент РФ №2130991; заявка №2000-107451, решение о выдаче патента РФ от 1 7.09.01; заявка№2000-110254, решение о выдаче патента РФ от 18.10.01.

Объем и структура диссертации. Диссертация общим объемом 297 стр. маши-

нописного текста состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы в количестве 174 наименований и приложений. Основной материал работы изложен на 172 стр., содержит 14 табл. и иллюстрирован 49 рис. Приложение включает 114 стр. с 5 табл. и 85 рис.

Содержание работы

Во введении показана актуальность темы, ее практическая значимость, приведена цель исследований и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе - «Состояние вопроса, цель и задачи исследований» дается аналитический обзор конструкций современных рыбопропускных сооружений и технологий их работы. Обобщены данные научно-исследовательских работ, посвященных современным технологическим аспектам пропуска рыбы через гидротехнические сооружения. Вопросам рыбопропуска и связанных с ним проблем посвящены работы А.Ш. Барекяна, Б.С. Малеванчика, В.Н. Шкуры, Л.М. Нусембаума, А.И, Исаева, M.А. Скоробогатова, И.М. Волкова, Б.В. Выскребенцева, Д.С. Павлова, З.М. Киппера, С.Н. Сабуренкова, В.А. Малышева, И.В. Никонорова, А.Г. Поддубного, Л.К. Малинина, Н.Б. Стрельцовой, А.А. Чистякова и других.

Анализ показал, что существующие типы рыбопропускных сооружений (рыбоходы и рыбоподъемники) обладают рядом существенных недостатков.

Рыбоходы:

1.пригодность использования для низконапорных гидроузлов с перепадом бьефов до 30м;

2.значительная их длина, что приводит при движении по ним к значительным затратам физических сил;

3.рыбоходы не пригодны для крупных и слабых пловцов;

4.для гашения скорости водного потока рыбоходы оборудуются элементами шероховатости, различными заградительными сетками, щитками или жалюзийными пластинами, которые наносят механические травмы рыбам;

5.невозможность создания оптимальных для всех видов рыб условия привлечения, перевода и выпуска в верхний бьеф;

6.изменение скоростей в рыбопропускных отверстиях напрямую связано с колебаниями уровней бьефов гидроузла, зависящих от времени года, суток и дней недели, что недопустимо для обеспечения надежной и стабильной работы рыбохода;

7.затруднен учет передвигающихся рыб.

Рыбоподъемники:

1. ни одно из построенных рыбоподъемных сооружений не являются сооружениями с непрерывным привлечением рыбы и постоянным попуском привлекающих расходов;

7

2.в этих сооружениях не создаются оптимальные для всех видов рыб условия привлечения,накопленияивыпуска;

3.затруднен учет рыб;

4.условия пропуска рыб в верхний бьеф существенно отличаются отестественных условий;

5.продолжительная задержка рыб перед гидроузлом, ведущая к снижению продуктивности нереста;

6.низкая эффективность их работы;

7.рыбоподъемники - это дорогостоящие сооружения, требующие больших материальных и людских затрат.

Выявленные недостатки указывают на необходимость разработки новых технологий перевода рыб через плотины.

Всвязи с этим особый интерес представляет, разработанный способ привлечения и перевода рыб из нижнего бьефа гидроузла в верхний бьеф (рис. 1).

тором расстоянии X1 от рыбопропускного отверстия происходит взаимодействие струй, т.е. происходит образование суммарного потока 5. Сечение суммарного по-

8

тока представляется фигурой площадью F, очерченной замкнутой кривой длины L. При дальнейшем распространении суммарного потока его осевая скорость Vх уменьшается за счет пульсационных скоростей (площадь потока Fувеличивается) и скорости противотечения, зависящей от разницы уровней воды в верхнем и нижнем бьефах. На некотором расстоянии X2 осевая скорость распространения суммарного потока Vx стремится к нулю и поток в этом направлении замирает. Таким образом, происходит образование зоны уравновешенных давлений 6. Величина

VПРИВЛЕК (скорость привлекающего потока 7) будет зависеть от разницы давлений в зоне 6: Рпотокл - сила давления суммарного потока (гидравлического упора потока)

на расстоянии X2 от вертикальной стенки и Рводы- сила давления создаваемого напором H со стороны верхнего бьефа. Для стабилизации потока используется заградительный козырек 8. Изменяя начальные условия истечения струй, т.е. скорость

V0 , мы можем регулировать скорость привлекающего потока VПРИВЛЕК ,устраняя тем самым основной недостаток существующих конструкций рыбоходов.

Так как предлагаемый способ перевода рыб основывается на теории гидравлических струй, то возникла необходимость в рассмотрении некоторых аспектов геории распространения струй и возбужденных ими потоков.

Распространению гидравлической струи в жидкости одинаковых с нею физических свойств посвящены работы А.Я. Миловича, Г.Н. Абрамовича, И.M. Коновалова, Ю.М. Шехтмана, П.В. Мелетьева, Ю.Я. Дмитриева, А.Я. Полянина, Г.А. Турлова, М.И. Гуревича, В.H. Гончарова, И.И. Леви и многих других. Однако, к сожалению, почти все они рассматривают растекание потоков в условиях, весьма существенно отличающихся от условий интересующих нас. Исследование вопроса, связанного с практическим использованием двух рядов п параллельных гидравлических струй в качестве нейтрализатора встречного течения в рыбопропускных отверстиях рыбоходов, безусловно, потребовало σт нас проведения глубоких теоретических исследований и большого количества экспериментов.

Исходя из общей задачи научного поиска, мы поставили перед собой задачу проведения научных исследований в направлении решения следующего основного вопроса: изучение закономерностей распространения водного потока, образованного двумя рядами параллельных гидравлических струй, при наличии заградительного козырька с целью использования его в качестве нейтрализатора встречного течения при пропуске рыб из нижнего бьефа гидроузла в верхний бьеф.

Во второй главе - «Теоретическое исследование процесса создания противодавления потоком, образованным двумя рядами п параллельных гидравлических струй» рассматривается теоретическая модель потока, образованного двумя рядами п параллельных гидравлических струй, с целью получения выражений, описывающих основные кинематические и геометрические параметры суммарного потока. Однако такая задача для анализа являлась весьма сложной. Поэтому прежде чем рассмотреть взаимодействие двух рядов п параллельных гидравлических струй, нами были рассмотрены по отдельности модели единичной гидравлической струи и ряда параллельных струй. Кроме того, в этой главе рассмотрена модель распрос-

9

транения суммарного потока при наличии противотечения, получены математические выражения, доказывающие возможность использования данного явления для привлечения и перевода рыб из нижнего бьефа гидроузла в верхний бьеф, атак же показана предлагаемая конструкция рыбохода.

Затопленная гидравлическая струя, вытекающая из конического сходящегося насадка, во всех случаях представляется конусообразно расширяющимся истоком, начинающимся от кромок круглого выходного сечения насадка (рис. 2).

Пусть мы имеем поток жидкости, вытекающей из круглого насадка диаметром d0 ,с начальной скоростью V0 в пространство, заполненное той же неподвижной

жидкостью.

Рассматриваемая струя может быть описана следующими параметрами: осевая скорость струя V2: скорость всасывания жидкости через боковую поверхность струи Vr ; расход жидкости через поперечное сечение струи Q.

Представив затопленную струю в виде бесконечного числа бесконечно малых круговых цилиндров, мы определили массу жидкости, входящую в объем

элементарного цилиндра ABDC за время dt через его основание AB и боковую поверхность AC, Вся эта масса жидкости должна войти в цилиндр EFQH через его основание EF. С другой стороны, выражение для массы жидкости, проходящей через эти элементарные цилиндры, можно получить, используя осевую и радиальную скорость (Vz и Vr). В свою очередь, применяя закон сохранения энергии, мы получили выражение для осевой скорости. В итоге связь между осевой и радиальной скоростью выразилась следующей системой дифференциальных уравнений:

Поскольку в уравнения системы (1) входят три изменяющихся параметра, то данную систему нельзя решить в общем виде. Поэтому необходимо было допол-

нить ее третьим уравнением - уравнением связи (2) полученным

другими учеными в области исследования гидравлических струй.

Решив систему уравнений (1), получили, что величина скорости всасывания определяется выражением

(3)

а величина осевой скорости - выражением

(4)

Введя безразмерный коэффициент пропорциональности ф, выразили постоянную интегрирования с, входящую в уравнение (4). через начальные параметры рас-

(5)

Зависимость (5) позволяет вычислить осевую скорость струи, распространяющуюся в неограниченном водном пространстве, на любом расстоянии z от выходного сечения насадка, используя при этом известные величины начальных параметров истечения струи.

Определив, таким образом, основные кинематические параметры единичной струи, далее рассмотрим взаимодействие ряда п параллельных гидравлических струй.

При истечении гидравлических струй из струеобразующих насадков, отстоящих друг от друга на расстоянии bЭ , струи воды сначала развиваются самостоятельно, как единичные. Их боковые поверхности (границы струй) не смыкаются до определенного сечения, а затем происходит их слияние. Поэтому на основе анализаизвестныхисследований нами принятаопределеннаясхема, показанная нарис.3.

Для описания суммарной струи, образованной рядом п параллельных гидравлических струй, выведем аналитические выражения для следующих кинематических и геометрических параметров: начальная осевая скорость суммарной струи VSO; осевая скорость суммарной струи Vs ; длина участка раздельного движения струй ZР,и длинаучастка взаимодействия струй ZВ Ha одинаковых расстояниях от выходных сечений сопел, осевые скорости струй одинаковы и определяются выражени-

ем (5).

При Z=ZP +ZB произойдёт полное выравнивание скоростей в сечении CC и, сле-