 |  | |
 УДК 627.882 + 532.522 Шлюз регулятор для рыбоходно-нерестового канала
Введенский О.Г., доцент, Введенская С.Ю., магистрант Поволжский государственный технологический университет, Россия
Обсуждается проблема повышения эффективности работы рыбопропускных сооружений на зарегулированных реках. Предложена конструкция шлюза регулятора скорости транзитного течения в рыбоходно-нерестовом канале. Изложена математическая модель предлагаемых технологических и технических решений.
Введение. Строительство на внутренних водных путях гидроэлектростанций с образованием водохранилищ значительным образом изменяет гидрологические характеристики рек, разрушая при этом миграционный цикл проходных и полупроходных видов рыб [1]. Плотины гидроэлектростанций преграждают путь движущимся на нерест рыбам в верх по течению реки. При обратном скате к местам нагула отнерестившиеся рыба и ее молодь гибнет в турбинах ГЭС и в других водозаборных сооружениях. Ущерб, наносимый рыбному хозяйству строительством плотин, в этом случае оценивается размером площадей утраченных нерестилищ. Для возмещения причинённого ущерба рыбному хозяйству принятой практикой гидротехнического строительства в составе гидроузлов устраивают рыбопропускные сооружения [2]. Кроме того, сохранившиеся после заполнения водохранилища нерестилища необходимо дополнить системами искусственных нерестовых полей на пригодной для этих целей акватории данного водохранилища [1, 2]. Все рыбопропускные сооружения, как известно, делят на рыбоходы и рыбоподъемники [3]. Рыбоподъемники перемещают рыбу, используя источник внешней энергии, т.е. работу самого сооружения. В рыбоходах же рыба движется за счет затрат собственной энергии на всем протяжении рыбоходного тракта. Применяемые на сегодняшний день в нашей стране и за рубежом рыбоподъёмные сооружения показывают крайнюю неэффективность. Это связано прежде всего с цикличностью их работы и несоответствием биологии и экологии рыб [3]. Помимо того, условия для рыб в рыбоподъёмных сооружениях резко отличаются от естественной среды. Наиболее распространенным и широко используемым на практике рыбопропускным сооружением является рыбоход. По конструкции они выполняются в виде наклонных или ступенчатых лотков [3]. В основе работы рыбоходных сооружений лежит инстинкт у рыб идти на нерест против течения, по этой причине работа рыбохода близка к естественным условиям. Не смотря на очевидные достоинства перед рыбоподъёмными сооружениями, рыбоходы имеют очень существенный недостаток, заключающийся в том, что скорость транзитного течения в рыбоходе зависит от суточных и недельных колебаний уровней в бьефах гидроузла. Данный факт значительным образом, а в отдельных случаях полностью снижает эффективность пропуска рыбы через плотины гидроузлов. Низкая разница уровней бьефов гидроузла чревата слабым выделением привлекающего потока, большое значение напора ведет к непреодолимо высоким скоростям транзитного течения в рыбоходном канале. Рыбоходно-нерестовые каналы объединяют функции рыбоходных сооружений (движение рыб вверх по течению на нерест происходит собственной энергии) и искусственных нерестовых площадей. Рыбоходный тракт таких сооружений должен имитировать натуральную реку: русла и поймы; перекаты и плесы. Необходимой чертой подобных сооружений является то, что выходную часть рыбоходно-нерестового канала необходимо вывести в верхний бьеф гидроузла, т.е. только в этом случае будет объединена функция нерестового канала и рыбоходного сооружения [3]. К сожалению, учитывая явные преимущества перед другими рыбоходными сооружениями, рыбоходно-нерестовым каналам также присуще главный недостаток рыбоходных сооружений: прямая зависимость скорости транзитного потока по длине рыбоходного тракта нерестового канала от разницы уровней бьефов гидроузла [3]. Цель работы – обоснование конструкции и технологии работы рыбоходно-нерестового канала для создания оптимальных и безопасных условий нереста рыб, выклева личинок из икры, подроста, нагула, а также обеспечения покатных миграций в условиях каскадного расположения водохранилищ. Объект разработки и исследования. Рыбоходно-нерестовый канал предлагаем выполнить в виде водосливного лотка трапецеидальной формы, расположенного в обход гидроузла, обеспечивая бесступенчатое соединение с верхним и нижним бьефами. Рыбоходный тракт (водосливной лоток) должен напоминать настоящую реку, где специальным образом должны быть оборудованы места для нереста, подроста и нагула молоди рыбы. В качестве субстрата для искусственных нерестилищ (в зависимости от группы рыб) применяются различные материалы натурального и синтетического происхождения: растительность (хвойные ветви, сухая трава, водоросли и др.), синтетические материалы, сетное полотно, галька, гравий, керамзит, песок и др. материалы [3]. Для устранения указанного выше главного недостатка рыбоходного сооружения предлагаем на входе в нижнем бьефе и на выходе рыбоходно-нерестового канала установить шлюзы-регуляторы на гидравлических струях [3] (рис.1).
Рис. 1 – Схема шлюза-регулятора рыбоходно-нерестового канала: 1 – рыбоходный тракт; 2 – поперечная раздельная стенка; 3 – вплывное отверстие; 4 – потокоформирующий фартук; 5 –галереи; 6 – струеобразующие насадки; 7 – напорные коллекторы; 8 – привлекающий поток; 9 – гидравлические струи; 10 – противоток; 11 – зона «частично равных давлений»
Шлюз-регулятор рыбоходно-нерестового канала работает следующим образом (рис. 1). При истечении воды через струеобразующие насадки 6 образуются два ряда параллельных гидравлических струй 9, имеющих некоторую начальную скорость
Противоток можно рассматривать, как плоскопараллельную струю с начальной скоростью
где
Как видно из выражения (2), при дальнейшем распространении противотока его осевая скорость
Выполнение условия (3) можно достичь достаточно простым способом, изменяя величину начальной скорости истечения струй
Нейтрализация колебаний перепадов уровней на плотине и установление оптимального уровня воды [1, 3] в рыбоходно-нерестовом канале и, следовательно, необходимого скоростного режима транзитного течения можно достичь, изменяя начальную скорость При падении уровней воды до значений, не позволяющих создать привлекающее течение по рыбопропускному тракту, гидравлические струи подают спутно транзитному течению. Они восстанавливают привлекающий гидравлический режим транзитного течения [3]. Затем, при изменении перепада уровней на обратное с помощью этих же струй обеспечивают противоток потоку в противоположном направлении и создание его благоприятного привлекающего производителей рыб скоростного режима. Для проектирования и эксплуатации рыбоходно-нерестового канала, следует знать плавательную способность рыб [3]. В свою очередь исходными данным для расчета рыбоходно-нерестового канала является перепад уровней между верхним и нижним бьефом канала, расход канала, средняя необходимая скорость течения воды в канале, необходимая глубина канала, коэффициент шероховатости канала, применяемый с нерестовым субстратом, коэффициент заложения откосов канала [3]. С целью автоматизации расчетов по проектированию и эксплуатации элементов рыбоходно-нерестового каналов нами реализована математическая модель предлагаемого технического решения в прикладной программной среде MathСad (рис. 2).
Рис. 2 – Фрагмент математической модели предлагаемого технического решения в программной среде MathСad Выводы. Предлагаемая конструкция шлюза-регулятора и использование технологии их работы в различных вариантах могут быть использованы для гидроузлов с различными гидрологическими режимами. Так, например, в случае расположения шлюза-регулятора только на выходе рыбоходно-нерестового канала (в верхнем бьефе) позволит эффективно компенсировать со значительной амплитудой колебания уровня верхнего бьефа гидроузла. А рыбоходно-нерестовый канал только с нижним расположением шлюза-регулятора компенсирует не только колебания уровня нижнего бьефа, но и частично сглаживает негативные влияния повышенного уровня верхнего бьефа гидроузла на условия привлечения и захода мигрирующей рыбы в нерестовый канал. Помимо того, такое шлюза-регулятора в рыбоходно-нерестовом канале является и энергоэффективным, позволяя питать систему струеобразующих насадков шлюза из верхнего бьефа, используя потенциальную энергию водохранилища. Кроме того, предложенная в составе прикладной программной среды MathСad математическая модель рыбоходно-нерестового канала позволит существенным образом упростить решение задач, связанных с проектированием и эксплуатацией предлагаемых технических решений.
Библиографический список
| ||
 |  |
На некотором расстоянии от поперечной разделительной стенки 2 происходит взаимодействие струй воды, т.е. происходит образование противотока 10 с начальной осевой скоростью 
. Величину 
начальной осевой скорости противотока 10 можно найти из следующей зависимости [3]:
, (1)
– безразмерный скоростной коэффициент, определяемый опытным путем, 
– начальная скорость истечения одиночной n-й гидравлической струи, м/с; 
– диаметр n-го струеобразующего насадка, м; 
– расстояние между осями симметрии параллельных гидравлических струй в ряду, м; 
– количество параллельных гидравлических струй в ряду; 
– расстояние между рядами (плоскостями распространения) параллельных гидравлических струй на выходе из насадков, м.
, (2)
– расстояние от начального сечения противотока до рассматриваемого участка потока, м; 
– коэффициент пропорциональности, определяемый опытным путем.
будет уменьшаться. Это произойдёт за счет пульсационных скоростей и скорости противотечения, зависящей от разницы уровней воды в верхнем и нижнем бьефах. На некотором поперечной разделительной стенки 2 осевая скорость распространения противотока 
затихнет. Таким образом, произойдёт образование зоны «частично равных давлений» 11, которая обеспечит беспрепятственный пропуск рыб в верхний бьеф гидроузла. Но для успешного пропуска рыб, идущих на нерест [1 – 3], через рыбоходно-нерестовый канал необходимо наличие устойчивого привлекающего или транзитного потока 8. Величина скорости 
привлекающего рыбу потока 8 зависит от разницы давлений в зоне «частично равных давлений» 11. Для создания устойчивого привлекающего рыбу потока должно выполниться следующее условие:
. (3)
истечения гидравлических струй в диапазоне 0 ¸ 10 м/с. Такой диапазон скоростей истечения гидравлических струй обеспечивает безопасные условия для прохождения и производителями и покатниками вплывного отверстия.
