Конструктивно-технологические мероприятия по борьбе с заилением малых и средних русловых водохранилищ



Многолетний мировой опыт эксплуатации водохранилищ показывает, что процессы заиления и занесения их объемов отложениями наносов являются одним из важнейших факторов, определяющих эффективность их эксплуатации и экологическую обстановку на прилегающих территориях. Отложения донных и взвешенных наносов, транспортируемых рекой, в чаще водохранилища и в речном русле выше по течению вызывают уменьшение его регулирующей емкости и удлинение создаваемой им кривой подпоры с увеличением зоны затопления прибрежной территории в ее пределах. Кроме того, в результате задержания в водохранилище основной массы речных насосов, в нижний бьеф сбрасывается осветленная вода, что приводит к интенсификации размыва отводящего речного русла и снижению уровня воды на большой длине ниже плотины. Вместе с тем забор осветленной воды из водохранилища в отходящие от него ниже по течению оросительные каналы, увеличивает фильтрационные потери воды из них. Это объясняется частичным смывом образовавшегося ранее при пропуске мутной воды кольматационного слоя, что ведет к постепенному ухудшению плодородия орошаемых земель, предотвращению поступления на них илистых фракций взвешенных наносов, улучшающих структуру почв. Поэтому для обеспечения эффективной и рациональной эксплуатации проектируемых или реконструируемых водохранилищ, необходимо при разработке проектов выполнить прогностические расчеты перечисленных выше явлений и на их основе разработать решения по борьбе с ними [1].

Мероприятия по борьбе с процессом заиления водохранилищ можно разделить на две основные группы [1]. К первой группе относят противоэрозионные мероприятия на площади водосбора реки, сток которой регулирует водохранилище. Мероприятия этой группы направлены на уменьшение твердого стока реки, путем обработки почвогрунтов водосбора агротехническими, лесомелиоративными и другими приемами или регулирования процесса формирования стока гидротехническими устройствами. Мероприятия второй группы проводят на склонах чаши и в самой чаше водохранилища в следующих целях: для предотвращения водной и ветровой эрозии на склонах, прилегающих непосредственно к чаше; укрепления берегов чаши и откосов плотины; удаления наносных отложений из чаши, гидравлическим, гидромеханическим или механическим способами; создание такого режима работы гидроузла, который обеспечивает максимум транзитного пропуска части стока наносов в нижний бьеф и т. п.

В дальнейшем подробно рассматриваются только мероприятия второй группы, так как предлагаемый авторами способ и инженерная конструкция для его осуществления, относятся к этой группе.

Многие исследователи и инженеры-гидротехники, эксплуатирующие водохранилища, считают, что наиболее экономически целесообразным и эффективным способом является гидравлическое удаление (промыв) наносных отложений в водохранилище, с использованием перепада между уровнями воды в бьефах гидроузла.

В тех случаях, когда слой заиления достигает значительных размеров и гидропромыв наносных отложений становится невозможным (из-за гидрологических, гидротехнических или эксплуатационных условий) может применяться механическая очистка с разработкой наносных отложений, экскаваторами, бульдозерами, средствами гидромеханизации или специальными устройствами. Однако, последние требуют больших затрат денежных средств.

В последние годы на зарубежных водохранилищах начинают применять очистку с использованием современных механизмов и устройств на базе новой техники. Так, например, на водохранилищах Швейцарии [1] применяют установки со сложными конструкциями, которые состоят из подводного устройства, производящего разработку наносных отложений и транспорт пульпы и надводной системы, служащей для управления работой всей установки. Однако, как показывает практика использования таких установок, ввиду их низкой производительности, широкое применение па водохранилищах экономически вряд ли целесообразно.

Существенное влияние на процесс заиления водохранилища оказывает режим его работы — ход наполнения и пропуска излишних расходов, опорожнения и др. Важное влияние оказывает увязка этого хода с процессом изменения, расходов и мутностей реки. В малых водохранилищах сезонного регулирования быстрое наполнение до НПУ за счет полного задержания очень насыщенных наносами паводковых расходов, обычно приводит к интенсивному заилению регулирующей емкости [2]. Теория регулирования речного стока рекомендует для уменьшения заиления так называемый второй вариант наполнения, при котором во время паводков в водохранилищах поддерживают низкие уровни воды близкие к уровню мертвого объема. Это позволяет значительную часть, твердого стока реки транзитом сбросить в нижний бьеф. Однако, режим работы водохранилища с таким вариантом наполнения может с успехом применяться только тогда, когда имеющиеся прогнозы стока воды достаточно достоверно гарантируют возможность наполнения водохранилища до НПУ в период прохождения расходов реки после прекращения паводков. Между тем современные методы прогноза из-за низкой достоверности такой гарантии не дают. Сток воды средних паводков входит в общий объем водных ресурсов используемый в народном хозяйстве [2].

Достаточно эффективных универсальных способов и мероприятии по борьбе с процессом заиления водохранилищ пока еще нет. Предлагаемые специалистами и используемые на некоторых низконапорных гидроузлах методы удаления наносных отложений гидропромывом, механической очисткой и другими способами, неприменимы в условиях малых и средних водохранилищ, из-за недостатка расходов воды в реке для промыва и очень высокой стоимости производства работ по механизированной очистке.

На основании вышеизложенного и учитывая пробелы, имеющиеся пока в прогнозировании заиления и методах борьбы с ним в условиях малых и средних водохранилищ, была сформулирована следующая цель наших исследований: на основе натурного и лабораторного изучения факторов, влияющих на процесс заиления водохранилища разработать конструктивно-технологическое мероприятие по борьбе с этим явлением.

Для достижения поставленной цели было необходимо решать следующие задачи:

1. На основе анализа многолетних гидрологических и эксплуатационных данных установить основные закономерности изменения
2. наблюдавшихся паводков, в частности изменение концентрации и размеров наносов в волне паводка, а также характеристик режима работы водохранилища — хода наполнения, сброса и опорожнения.
3. Провести натурные исследования по изучению гидрологии,
4. детального наносного режима, эксплуатационного режима и динамики
5. процесса заиления на конкретных объектах.
6. На основе результатов этих исследований и анализа проработок, имеющихся в области моделирования гидравлических явлений,
7. разработать рекомендацию к методике моделирования движения взвесенесущего потока при большой концентрации взвешенных наносов.
8. Провести экспериментальные исследования в гидравлической лаборатории, посвященные изучению изменения мутности потока в подпорном бьефе по длине и распределения наносов по фракциям в верхнем бьефе, а также изучению влияния уровненного режима верхнего бьефа и расположения порога водосбросных отверстий на процесс заиления. На пространственной модели изучить — влияние глубокой русловой части чаши водохранилища на процесс формирования наносных отложений в верхнем бьефе гидроузла.
9. Разработать конкретное конструктивное мероприятие для удаления наносов из водохранилища, учитывающее природные, эксплуатационные и другие факторы, влияющие на режим работы малых и средних водохранилищ.

Задачей предлагаемого конструктивного мероприятия является повышение надежности эксплуатации водохранилищного гидроузла и урожайности сельхозкультур, которые находятся в зоне командования водохранилища [3, 4].

Для средних и малых водохранилищ поставленная задача решается тем, что в устройстве для борьбы с заилением таких водохранилищ от наносов, включающем канал, выполненный в зоне полезного объема чаши водохранилища, построенного на русле реки, и сбросное отверстие в теле плотины, снабженное затвором, канал выполненный с длиной от 600 до 800 м, глубиной 4–3 м и шириной по дну 6–8 м, сообщается с двухкамерным отстойником, первая по оси движения потока камера которого имеет продольный уклон дна не менее уклона естественного русла реки в чаше водохранилища(Рис.-1). При этом глубина первой камеры равна глубине канала, ее ширина в 3–4 раза превышает ширину канала, а длина составляет одну четвертую часть от длины канала. За первой камерой по оси движения потока размещена вторая камера, продольный уклон дна которой выполнен равным нулю, при этом ширина второй камеры равна ширине первой камеры, а длина — в 2,5–3 раза превышает длину первой камеры, причем начальная глубина второй камеры определяется по формуле:

h₂ = L₃ i_к, м

где: h₂ — начальная глубина второй камеры, м;

L₃ — — длина второй камеры, м;

i_{к —} продольный уклон канала,

Конечная глубина второй камеры не менее глубины первой камеры, кроме того во второй камере отстойника размещен грунтозаборник, связанный трубопроводом со сбросным отверстием.

В основу предлагаемых конструктивных мероприятий заложена идея управления движением взвесенесущего потока в верхнем бьефе водохранилища и обеспечение возможности осаждения основной массы твердого стока в специально предусмотренном, двухкамерном (с различными продольными уклонами дна каждой камеры) отстойнике, который находится на расчетном расстоянии от входного створа. Управление в период вегетации сбросом взвешенных наносов из второй камеры производится через водовыпуск в нижний бьеф плотины для подачи их на орошаемые поля в качестве естественного удобрения, что осуществляется с применением способов гидромеханизации с последующей очисткой донных наносов из первой камеры с применением механических способов (используя экскаваторы, автосамосвалы и др.) после опорожнения воды в верхнем бьефе до отметки, соответствующей границе между первой и второй камерами.

Выполнение канала с длиной 600–800 м обеспечивает прямолинейное движение основной массы донных и взвешенных наносов по каналу и попадание их в отстойник, устроенный по оси движения мутного потока. Глубина 3–4 м и ширина 6–8 м канала обеспечивает равномерное движение мутного потока по оси канала в сторону отстойника, предотвращая при этом растекание наносов по ширине чаши водохранилища в зоне его полезного объёма, вследствие чего полезный объем чаши водохранилища защищается от наносных отложений. Все это приводит к увеличению срока службы водохранилища и повышению надежности гидротехнических сооружений в период урегулирования паводковых и селевых потоков в водохранилище.

Выполнение отстойника двухкамерным позволяет разделить наносы по размеру. Первая по оси движения потока камера отстойника, выполненная с продольным уклоном не менее уклона естественного русла реки, принимает равномерно движущийся мутный поток.

Глубина первой камеры принята равной глубине канала, а ширина в 3–4 раза превышает ширину канала. Это обеспечивает равномерное растекание мутного потока по ширине камеры и в 2–3 раза уменьшает скорость движения наносов. В результате чего, происходит интенсивное осаждение донных наносов по ширине камеры. Длина камеры, экспериментально установлена, что составляет одну четвертую часть от длины канала, обеспечивает осаждение всех донных наносов в пределах первой камеры, при этом мельчайшие донные наносы с размерами частиц d = 0,05мм осаждаются преимущественно в конце камеры. Превышение длины второй камеры в 2–3 раза по сравнению с длиной первой камеры при продольном уклоне дна равном нулю позволяет создать вдоль этой камеры гидродинамическое равновесие мутного потока и дополнительно осадить все взвешенные наносы с размерами частиц d < 0,05мм. С помощью математической формулы определяется начальная глубина второй камеры, через которую достигается горизонтальность дна, вследствие чего, обеспечивается гидродинамическое равновесие в камере и тем самим создаются условие для осаждения более 80 % взвешенных наносов во второй камере.

Рис. 1. Конструктивно-технологические мероприятия по борьбе с заилением малых и средних русловых водохранилищ: 1 — плотина; 2 — естественное русло; 3 — граница НПГ;4 — искусственное русло (канал); 5 — первая камера; 6 — вторая камера; 7 — грунтозаборник; 8 — трубопровод; 9 — водовыпуск; 10 — плавсредства

Все это позволяет защитить водохранилище от наносных отложений и сохранить расчетный объём его чаши. Таким образом, не происходит потери полезного объёма, что существенно повышает эксплуатационную надежность водохранилищного гидроузла в целом.

К примеру, для водохранилища с полезным объемом 16–18 млн.м³ и уклоном естественного русла 0,011 реки, прямолинейный канал 4 имеет длину L₁= 700 м, глубину h_k = 4 м и ширину b_k = 6 м, а продольный уклон его равен, уклону естественного русла 2 реки и составляет i_к= i_р = 0,011, при этом размеры камеры 5 следующие глубина h₁= h_k = 4 м, ширина b_к5 = 3 b_к = 3 6 =18 м, а длина L₂ = = =175 м, и размеры второй камеры — длина L₃ = 2,5 L2=2,5 175=437м, ширина b_к6 = 18 м, конечная глубина h₃ = h₁=4 м и начальная глубина h₂ камеры 6 определяется по формуле:

h₂ = L₃ i_к,=437 0,013= 5,7 м

Конечная глубина h₃ камеры 6 может быть равной глубине h₁ камеры 5 или превышать ее.

В камере 6 отстойника размещен грунтозаборник 7, связанный трубопроводом 8 со сбросным отверстием 9, снабженным затвором, выполненным в грунтовой плотине 1. Грунтозаборник 7 связан также с плавсредством 10.

В период паводка мутный поток, пройдя по каналу 4, поступает в камеру 5, где в 2–3 раза снижает скорость и равномерно растекается по ширине камеры 5. Частицы наносов с размерами d > 0, 05мм оседают в камере 5. Наносы с размерами частиц d < 0, 05мм с потоком поступают в камеру 6 и оседают в ней ввиду того, что продольный уклон i дна камеры 6 равен нулю и, тем самым, в пределах камеры 6 обеспечивается динамическое равновесие мутного потока, в результате чего и происходит интенсивное осаждение взвешенных наносов.

В период вегетации, при заданном рабочем горизонте воды(РГВ) в верхнем бьефе водохранилища, из камеры 6 наносные отложения сбрасываются в нижний бьеф через грунтозаборник 7, связанный с плавсредством 10 и трубопроводом 8 для отвода пульпы, который подключен к сбросному отверстию 9.

После сработки верхнего бьефа водохранилища 3, в камерах 5 и 6 остаётся определенный объем воды, который обеспечивает нормальное сохранение средств гидромеханизации.

Удаление донных наносов из первой камеры 5 осуществляется путём применения механических способов (используя экскаваторы, автосамосвалы и др.) после опорожнения воды в верхнем бьефе до отметки, соответствующей границе между камерами 5 и 6.

Таким образом, использование данного конструктивного мероприятия позволяет достичь следующих конкретных результатов:

– конструктивное мероприятие, предусмотренное в данной работе, практически не влияет на установленный режим работы средних и малых водохранилищ;

– с помощью этих мероприятий в водохранилище производится успешное урегулирование паводковых и селевых потоков и обеспечиваются безопасные работы всех сооружений водохранилищного гидроузла;

– с помощью этих мероприятий можно сбрасывать в нижний бьеф более 60–80 % наносов, поступающих в водохранилище, что приводит к существенному увеличению сроков службы таких гидроузлов;

– сброс в нижней бьеф из второй камеры отстойника мелких коллоидных наносов, имеющих свойства естественного удобрения, в период вегетации приводит к существенному улучшению мелиоративного состояния орошаемых земель зоны командования водохранилища, что в свою очередь повышает урожайность сельхозкультур.

Литература:

1. ДаврановГ. Т. Повышения эффективности эксплуатации селеводохранилищ. Монография, Ташкент -ТИИМ -2014.185с.
2. Давранов Г. Т. Режим работы малых водохранилищ адырных зон Ферганской долины и их заиление // Вопросы русловой гидротехники с учетом усиливающейся роли антропогенной деятельности в речных бассейнах Средней Азии /САНИИРИ. — Ташкент, 1990. — С.40–48.
3. Давранов Г. Т., Юсупов А. А. Некоторые результаты лабораторных исследований заиления селеводохранилищ // Пути комплексного совершенствования мелиорации и водного хозяйства / САНИИРИ, — Ташкент. 1987. — С.71–76.
4. Давранов Г. Т., Юсупов А. А. Влияние режима работы водопропускных отверстий на процесс заиления малых водохранилищ // Тезисы докл. Всесоюзн. Конф. Молодых ученых. Пути повышения эффективности использования водных ресурсов в условиях их нарастающего дефецита. — Ташкент, 1988. — С.35.