рыбозащита при водозаборе из горной реки иссык

УДК 627.83:626.88
РЫБОЗАЩИТА ПРИ ВОДОЗАБОРЕ ИЗ ГОРНОЙ РЕКИ ИССЫК-АТА
В ДЕРИВАЦИЮ МАЛОЙ ГЭС
Н.П. Лавров, Г.И. Логинов, Н.В. Коржавин
Кыргызско-Российский славянский университет, г. Бишкек, Кыргызстан
Современная экологическая обстановка на естественных водоемах Кыргызстана
предъявляет новые требования к водозаборным сооружениям, так как создание
ирригационных и гидроэнергетических систем, питающихся из горных рек, пагубно
влияет на ихтиофауну [1]. Наблюдения, проведенные нами в рамках швейцарской
программы NCCR «Север-Юг», показали, что попадание рыбной молоди и взрослых
особей форели и османа в отводящие каналы неизменно приводит к гибели рыб на полях
и в турбинах деривационных ГЭС. Между тем, ни один из существующих водозаборных
узлов на горных реках Кыргызстана не имеет рыбозащитных устройств и сооружений.
Как показали исследования западноевропейских специалистов, наиболее
рациональными устройствами рыбозащиты являются рыбоограждающие сооружения,
использующие гидравлический способ в виде косонаправленных к динамической оси
потока донных порогов [1]. В отличие от механического способа рыбозащиты в виде
заградительных сеток и решеток, на оголовках каналов данный гидравлический способ
представляется более эффективным и безопасным. В сравнении же с акустическими,
электрическими, оптическими методами предлагаемый способ для горных рек является
более дешевым и надежным.
Ранее нами была предложена конструкция рыбоотсекающего козырька на гребне
наносозащитного порога [1, 2] как средства реализации гидравлического способа
рыбозащиты, усиливающего циркуляционный винт вдоль внешней его стенки, который
создает неблагоприятные условия для прохождения большинства видов скатывающейся
рыбы в водоприемную камеру отводящего канала. Реконструкция малой ГЭС,
расположенной в Иссык-Атинском районе Чуйской области КР, выполняется фирмой
«АRC» (ФРГ) при участии ПКТИ «Водавтоматика и метрология» и КРСУ.
Сущность исследуемого способа рыбозащиты
заключается в следующем.
Поперечная циркуляция потока обеспечивает неблагоприятные условия вдоль зоны
водозабора для рыбы, транспортирующейся вниз по течению: скорости течения,
превышающие нормальную плавательную скорость рыбы, перемешивает по вертикали
горизонты потока и изменяют глубину погружения рыбы. Попадая в поперечный
циркуляционный поток, рыба стремится выйти из него. Параллельно с этим поперечная
циркуляция определяет и степень защиты водоприемной камеры от попадания в нее
наносов. Таким образом, была принята гипотеза о том, что эффективность защиты
молоди рыб и взрослых особей от попадания в отводящий деривационный канал можно
косвенным методом оценить по эффективности наносозащиты.
Оценка работоспособности рыбоотсекающего козырька проводилась на модели
проектируемого водозаборного сооружения для деривационной ГЭС на реке Иссык-Ата в
масштабе 1:25 (рис. 1).
Рис. 1. Компоновочная схема модели водозаборного сооружения для деривационной ГЭС
(патент КР №607, 2003):
1 – зарегулированное подводящее русло; 2 – ломаный в плане рыбонаносозащитный
порог с переменным уклоном гребня; 3 – водоприемная камера; 4 – верхний ярус
водоприемной камеры; 5 – отводящий деривационный канал; 6 – затвор для
опорожнения водоприемной камеры; 7 – стабилизатор расхода; 8 – отводящий канал;
9 – щитовое отверстие для зимнего водоотбора; 10 – разделительная стенка; 11 – затвор
промывного тракта с горизонтальным козырьком; 12 – промежуточный устой;
13 – затвор-автомат уровня верхнего бьефа; 14 – отводящее русло; 15 – авто водосливы
Ввиду сложности движения жидкости и наносов в различных режимах работы
гидроузла при переливе через гребень ломанного в плане наносозащитного порога,
оборудованного рыбоотсекающим козырьком (рис. 2), теоретически получить
оптимальное соотношение величин ширины козырька С1 и С2 представляется довольно
сложным.
Рис.2. Расчетная схема отсекающего козырька на гребне ломанного в плане порога:
1 – ломанный в плане наносозащитный порог; 2 – отсекающий козырек; С0 – ширина
порога; С1 – ширина отсекающего козырька в начале; С2 – ширина отсекающего
козырька в конце; Р1 – высота порога в начале; Р2 – высота порога в конце; Lп – длина
ломанного в плане наносозащитного порога; Нр – расчетный напор; t – ширина
наносозащитного порога
Поэтому размеры отсекающего козырька и их оптимальное соотношение из условия
эффективности рыбо- и наносозащиты были определены экспериментально при
проведении модельных исследований.
В описываемой компоновке водозаборного сооружения (см. рис. 1) концевая секция
ломанного в плане наносозащитного порога входит в состав промывного тракта. При
этом часть отсекающего козырька, расположенная на гребне данной секции порога,
находится внутри проточной части промывного тракта на глубине 0,35 Нр, где Нр –
расчетный напор в верхнем бьефе сооружения. Концевая часть отсекающего козырька
создает благоприятные условия для продления зоны пониженного давления от затвора
промывного тракта с горизонтальным козырьком 11 (против течения) к более
интенсивной части циркуляционного винта, у внешней стенки наносозащитного порога.
Поисковые исследования, проведенные на модели водозаборного сооружения,
показали, что при оборудовании гребня ломанного в плане наносозащитного порога 2
отсекающим козырьком с малой шириной уменьшающейся С1=0,24Нр в начальной части
до С2=0 в концевой части создается нежелательный эффект взмучивания призмы наносов.
Увеличение ширины концевой части отсекающего козырька, расположенной в зоне
промывного тракта, до величины С2= 0,11Нр позволило избежать поднятия расчетных
частиц наносов в верхние слои потока и перехватить их в зоне отрыва от призмы.
Фракционный состав наносов и их содержание по весу для расходов
соответствующей обеспеченности были подобраны по известной методике Талмазы В.Ф.
и Крошкина А.Н. [3].
Дальнейшей задачей экспериментов являлось определение рациональных размеров
отсекающего козырька: ширины козырька в его начале С1 и отношения С1/С2. Для этого
на модели изменялась только ширина начальной части козырька С1 от 0,5 до 4,0 см через
0,5 см для получения зависимости С1/С2 в функции относительного поступления наносов
в водоприемную камеру.
Ломанный в плане наносозащитный порог 2 для увеличения пропускной
способности был выполнен, как уже указывалось, с переменным уклоном гребня [4].
Начальная секция порога имела уклон гребня iнач= 0,03, а средняя и концевая секции iп=
0,078. При этом высота порога уменьшалась от начала к концевой части от величины Р1=
0,90 Нр до величины Р2= 0,65Нр [4]. Длина порога, оборудованного отсекающим
козырьком, была назначена в пределах Lп=(5.4…6.4)Нр, исходя из соображения
компоновки водозаборного сооружения.
Качество работы ломанного в плане наносозащитного порога, оборудованного
отсекающим козырьком такой конструкции, оценивалось отношением веса наносов,
попавших в отводящий канал 8 водозаборного сооружения, к весу наносов, подаваемых
по подводящему руслу узла.
Модельные исследования проводились при среднелетнем расходе реки Иссык-Ата
Qср = 1,7 л/с (в пересчете на натуру Qср. н.= 5,31м3/с), напоре в верхнем бьефе
водозаборного сооружения Нр = 8 см (Нср. н.= 2 м) и коэффициенте водозабора, равном в
= 0,9. Результаты исследований графически представлены на рис. 3.
Рис. 3. График зависимости
захвата наносов в отводящий
канал Gk/Gp, % от относительной
ширины отсекающего козырька
С1/С2 на гребне наносозащитного
порога
Gk/Gp, %
20
15
р=0,65 г/л
р=0,95 г/л
10
р=1,3 г/л
5
0
0
2
С1/С2
4
6
Анализ графической зависимости (рис. 3) показывает, что минимальный захват
наносов в отвод обеспечивается при устройстве рыбоотсекающего козырька на гребне
ломанного в плане наносозащитного с отношением С1/С2, находящимся в пределах
1,88…2,50.
Исследования пропускной способности рыбоотсекающего козырька на гребне
ломанного в плане наносозащитного порога проводились:
при истечении воды только через наносозащитный порог 2 (см. рис.1);
при истечении через наносозащитный порог 2 и затвор рыбо-наносозащитного
отводящего канала 11;
при истечении через наносозащитный порог 2, затвор рыбо-наносоотводящего
канала 11 и из под затвора-автомата уровня верхнего бьефа 13.
Целью
исследований
пропускной
способности
являлось
определение
функциональной зависимости для коэффициента расхода истечения в виде: m  f Н С  .
Напор над гребнем донного порога Н определялся следующим образом:
1. Рассчитывалась средняя высота ломанного в плане донного порога hср. взв по
формуле
( hi  hi 1 ) * bi
hср .взв 
,
(1)
2bi
где hi – i-я высота секции порога; bi – i-я длина секции порога.
2. Определялся напор в верхнем бьефе модели водозаборного сооружения и
находился напор над ломанным в плане донным порогом
(2)
H  H В .Б .  hср.взв .
3. Рассчитывалась средняя ширина рыбоотсекающего козырька по формуле
аналогичной формуле (1)
(c i  c i 1 )bi
,
(3)
с ср.взв 
2bi
где сi – i-я ширина секции порога.
4. Рассчитав количественное отношение Н/С, определяли соответствующие
коэффициенты расхода истечения по формуле водослива (4)
Q
,
(4)
m
3
b 2g H 2
где Q – расход в отводящем канале.
По результатам расчета была построена графическая зависимость m=f(H/C),
показанная на рис. 4.
Коэффициент расхода m
y = 0,1922x + 0,1729 R=0,778
0,4
Рис. 4. Зависимость коэффициента
расхода порога с рыбоотсекающим
козырьком от отношения напора
над ним к его средней ширине
0,35
0,3
0,25
0,2
0,5
0,7
0,9
1,1
Отношение напора над козырьком к его ширине Н/С
В эксперименте изучалось также и направление токов в целях установления зоны,
опасной для рыбы и ее молоди, откуда вероятность попадания ее в водоприемную камеру
велика. Для этого нами пускалась окрашенная струя в верхнем бьефе модели
водозаборного сооружения. Чернила пускались в различных зонах потока и на различных
глубинах: у катастрофического водослива, затвора-авторегулятора уровня воды за
промежуточным бычком, по краю призмы наносов, перед наносозащитным порогом.
Благодаря этому нами было установлено, что у катастрофического водослива, у
затвора-авторегулятора и по краю призмы наносов практически вся окрашенная струя
уходила в промывной тракт, причем независимо от глубины, на которой она выпускалась.
При пуске чернил перед ломаным в плане наносозащитным порогом на глубине (0…0.3)Н
окрашенная струя практические полностью уходила в водоприемную камеру, а при пуске
их на больших глубинах они проходили через промывной тракт в нижний бьеф. Таким
образом, мы установили поверхность раздела водного потока по глубине, которая
определяет зону влияния рыбоотталкивающего винта.
Проведя комплексные исследования по определению работоспособности
рабоотсекающего козырька, можно сделать заключение, что эффективность защиты
водоприемной камеры водозаборного сооружения от поступления наносов через
наносозащитный порог напрямую связана с интенсивностью циркуляции в водном винте,
создаваемым этим порогом в совокупности с отсекающим козырьком. В свою очередь,
действенность рыбозащиты также зависит от транспортирующей способности, т.е.
интенсивности этого циркуляционного винта.
Таким образом, полученные размеры отсекающего козырька являются
рациональными и с точки зрения рыбозащиты. По аналогии с твердыми частицами
наносов рыбная молодь, попавшая в область интенсивного циркуляционного винта,
увлекается по наносопроводящему тракту в нижний бьеф и не попадает в водоприемник.
Взрослых особей форели и османа отпугивает скоростной двухфазный винтовой поток
перед порогом, и они выбирают другой маршрут следования, т.е. не попадают в
водоприемную камеру и в деривацию малой ГЭС.
Другим подтверждением эффективности данной конструкции наносозащитного
порога с полученными размерами отсекающего козырька являются также наблюдения за
кинематикой потока в верхнем бьефе водозаборного сооружения.
Исследуя движение окрашенной струи, можно проследить траекторию ее движения
при различных режимах и расходах воды в реке и в различных зонах верхнего бьефа
модели водозаборного сооружения. Из чего видно, что область проникновения
окрашенной струи в водоприемник через отсекающий козырек уменьшается по мере
увеличения транспортирующей способности циркуляционного потока. Следовательно,
также будет уменьшаться и количество увлекаемых поверхностным потоком из области
винта особей рыб.
Все приведенные аргументы, на наш взгляд, доказывают, что гидравлический
способ рыбозащиты и полученная экспериментальным методом компоновка и размеры
рыбозащитного устройства являются рациональными как с позиций рыбозащиты, так и с
позиций защиты отводящего канала от речных наносов.
Библиографический список
1. Лавров Н.П., Логинов Г.И., Коржавин Н.В. Способы рыбозащиты при водозаборе из
горных рек в ирригационные и гидроэнергетические системы. //Архитектура и
строительство: Сб. научн. тр. Б.: КРСУ, 2003. С. 268-274.
2. Рохман А.И., Логинов Г.И., Торопов М.К., Борисенко Д.А. Основные
эксплуатационные режимы и характеристики проектируемого водозаборного
сооружения для малой ГЭС на р. Иссык-Ата. //Архитектура и строительство: Сб.
научн. тр. Б.:КРСУ, 2003. С. 300-307.
3. Талмаза В.Ф., Крошкин А.Н., Гидроморфометрические характеристики горных рек.
Фрунзе, 1968. 204 с.
4. Патент КР № 607, МКП Е02 13/00. Водозаборное сооружение для деривационных
ГЭС. /Лавров Н.П., Рохман А.И., Логинов Г.И., Торопов М.К. , опубл. в Б.И. №11. –
Бишкек, 2003. 5 с.