способ регулирования речного стока для предупреждения наводнений

Формула изобретения

Способ регулирования речного стока для предупреждения наводнений, заключающийся в аккумулировании паводковых вод во временных водохранилищах, образуемых посредством создания проницаемых плотин в руслах, отличающийся тем, что в поперечных створах русел притоков реки на уровне дна устанавливают трубчатые теплообменники, герметично соединенные с разновысокими вентиляционными стояками, сообщающимися с атмосферой, которые размещают на противоположных берегах, в предполоводный период обеспечивают активное вентилирование воздуха, имеющего температуру ниже 0°С, через теплообменники и за счет замораживания стока образуют искусственные наледные плотины, в весенний период при положительной температуре воздуха регулируют режим таяния наледей за счет повышения или снижения интенсивности вентилирования теплообменников.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области гидротехники и водного хозяйства и может использоваться, в частности, для предупреждения чрезвычайных ситуаций, вызываемых весенним половодьем.

Известен способ регулирования речного стока, заключающийся в изменении его естественного режима для наиболее рационального использования водных ресурсов в народном хозяйстве путем строительства плотины в поперечном створе долины реки - образования водохранилища и перераспределении стока из многоводных сезонов на маловодные путем сезонного накопления воды в водохранилище с последующим водоотбором в необходимом объеме в соответствии с водопотреблением (Плешков Я.Ф. Регулирование речного стока. Водохозяйственные расчеты. Изд. третье, испр. и перераб. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975, стр.106-108). Регулирование речного стока в водохранилище обеспечивает также и надежную защиту от затопления нижерасположенных территорий в периоды паводков и половодий в тех случаях, когда регулирующая емкость его достаточна для приема всего объема паводочного стока и исключается формирование на площади водосбора ниже створа плотины расходов воды, обусловливающих выход ее на пойму.

Недостатками известного решения являются:

- высокая стоимость строительства водохранилища, при которой создание водохранилищ только для борьбы с паводками становится нецелесообразным, тем более что полностью не исключается формирование на площади водосбора ниже створа плотины расходов воды, обусловливающих выход воды на пойму и затопление территории;

- существенное изменение гидрологического и гидрогеологического режимов в бассейне регулируемой реки, что приводит к нарушению экологии и часто к полной деградации естественного биоценоза;

- существенный объем отчуждения земель, в том числе лесных массивов и сельскохозяйственных угодий, что значительно изменяет экологическую обстановку территории.

Из другой области техники известен водозаборный гидроузел (Патент RU №2254415, МПК7, Е02В 9/04, опубл. 20.06.2005, Бюл. №17), включающий русловой водоприемник с сороудерживающими решетками, самотечные или сифонные водоводы, соединяющие его с береговым сетчатым колодцем, совмещенной или раздельной компоновки, низконапорную перегораживающую дамбу с полным перекрытием русла, причем водозаборный гидроузел оснащен теплообменником, установленным в поперечном створе переката ниже участка размещения руслового водоприемника, выполненным в виде трубчатого воздуховода, соединенного торцевыми частями с разновысокими стояками, стояк большей высоты оборудован поворотной заслонкой и имеет внешнюю теплоизоляцию, а также оснащен вертикально установленными в этом же створе анкерами. Трубчатый теплообменник обеспечивает образование искусственной наледи, которая при понижении температуры воздуха ниже 0°С позволяет повышать уровень воды относительно ординара, характерного для холодного периода года. При этом на участке интенсивного водоотбора снижаются скорости течения воды и турбулентная активность потока, что уменьшает глубину вовлечения шуги и внутриводного льда и полностью исключает вероятность обмерзания водоприемника и затруднения в его работе. В период ледостава при образовании мощного ледяного покрова исключается вероятность вмерзания в лед элементов водоприемника, что повышает надежность работы водозаборных сооружений при малой водности реки. Изобретение используется для повышения надежности водоотбора из рек при средних и тяжелых условиях забора воды, связанных с воздействием внутриводного льда в предледоставный период и с угрозой глубокого промерзания реки в холодный период года на участках интенсивного водоотбора. При этом не исключается возможность затопления территории в пределах поймы реки в период половодья.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому эффекту является известный способ регулирования стока воды в системе рек водосбора для предупреждения наводнений (Патент RU №2116401, МПК 6 Е02В 3/02, опубл. 27.07.1998), заключающийся в том, что в естественных котловинах и других понижениях местности с помощью плотин создают для приема паводковых вод водохранилища, отстоящие в некотором удалении от реки или расположенные в русле реки, причем на всей площади водосбора выявляют участки образования паводков, на питающих эти участки руслах рек выявляют участки формирования паводкового стока, на каждом участке формирования паводкового стока создают индивидуальную систему регулирования стока реки, для чего для каждого участка формирования паводкового стока для накопления и хранения паводковых вод определяют оптимальное количество временных водохранилищ, образуемых с помощью проницаемых для воды и речных животных плотин, для установленного числа временных водохранилищ производят расчет параметров системы регулирования стока реки для каждого участка формирования паводкового стока, на всех участках формирования паводкового стока в соответствии с расчетными параметрами строят системы регулирования стока реки, обеспечивая тем самым безопасный беспаводковый сток накопившихся в системах регулирования стока реки паводковых вод на всей площади водосбора.

Недостатком известного решения является низкая эффективность, обусловленная сложностью эксплуатации каскада водохранилищ и их обоснования при существенно изменяющихся гидроморфологических характеристиках системы, в том числе:

- сложностью прогнозирования участков формирования ливневого паводкового стока или половодья в связи с тем, что этот процесс часто проходит спонтанно, а пропускная способность русла постоянно меняется, в том числе, например, и при образовании заторов льда;

- сложностью поддержания постоянной пропускной способности плотин, устраиваемых в русле реки или на некотором удалении от него, в связи с тем, что возможен занос пропускных отверстий плотин крупными влекомыми потоком предметами, обломками льда и уменьшение проницаемости тела плотины для воды притом, что расчетная величина проницаемости является определяющим параметром при выборе створа расположения нижерасположенной плотины и емкости водохранилища;

- сложностью поддержания постоянной емкости водохранилищ в связи с тем, что в процессе их эксплуатации не исключается постепенное заиление и занесение крупными влекомыми наносами (гравий, галечник) и корчами, притом, что расчетная величина емкости водохранилищ является определяющим параметром при выборе створа расположения плотины в каскаде.

Задачей изобретения является разработка нового способа защиты территорий от затопления во время половодий, обеспечивающего регулирование речного стока путем сглаживания пика половодья за счет создания на притоках реки временных водохранилищ с помощью искусственных наледных плотин и аккумулирования паводочного стока половодья при снижении экологической нагрузки на природную среду.

Указанная задача решается следующим образом.

В известном способе регулирования речного стока для предупреждения наводнений, заключающемся в аккумулировании паводковых вод во временных водохранилищах, образуемых посредством создания проницаемых плотин в руслах, в поперечных створах русл притоков реки на уровне дна устанавливают трубчатые теплообменники, герметично соединенные с разновысокими вентиляционными стояками, сообщающимися с атмосферой, которые размещают на противоположных берегах, в предполоводный период обеспечивают активное вентилирование воздуха, имеющего температуру ниже 0°С, через теплообменники и за счет замораживания стока образуют искусственные наледные плотины, в весенний период при положительной температуре воздуха регулируют режим таяния наледей за счет повышения или снижения интенсивности вентилирования теплообменников.

Отличительными от прототипа признаками являются:

- в поперечных створах русл на уровне дна устанавливают трубчатые теплообменники, герметично соединенные с разновысокими вентиляционными стояками, сообщающимися с атмосферой, которые размещают на противоположных берегах;

- в предполоводный период обеспечивают активное вентилирование воздуха, имеющего температуру ниже 0°С, через теплообменники и за счет замораживания стока образуют искусственные наледные плотины;

- в весенний период при положительной температуре воздуха регулируют режим таяния наледей за счет повышения или снижения интенсивности вентилирования теплообменников.

В поперечных створах русл на уровне дна устанавливают трубчатые теплообменники, герметично соединенные с разновысокими вентиляционными стояками, сообщающимися с атмосферой, которые размещают на противоположных берегах, что позволяет регулировать температуру донного грунта и придонного слоя воды, и при отрицательной температуре воздуха обеспечивает образование наледных бугров - наледных плотин в створах установки теплообменников, а при положительной температуре воздуха обеспечивает таяние наледных плотин. При этом затраты на установку трубчатых теплообменников минимальны, а отчуждения земель не требуется.

В предполоводный период обеспечивают активное вентилирование воздуха, имеющего температуру ниже 0°С, через теплообменники и за счет замораживания стока образуют искусственные наледные плотины, при этом создается подпор уровней воды в верхних бьефах наледных плотин, обеспечивается постепенное накопление паводочного стока. В нижние бьефы за счет перелива воды через гребни плотин сбрасывается лишь избыточный сток, который суммарно не должен превышать расхода выхода воды на пойму в русле главной реки. Для того чтобы добиться такого соответствия повышают отметки гребней плотин за счет регулирования интенсивности вентилирования теплообменников или увеличивают число наледных плотин на притоках главной реки. Этим предотвращается затопление территории в нижнем течении реки.

В весенний период при положительной температуре воздуха регулируют режим таяния наледей за счет повышения или снижения интенсивности вентилирования теплообменников, чем обеспечивается регулирование высоты гребней наледных плотин, объем временных водохранилищ и, следовательно, продолжительность сброса стока в период половодья.

Таким образом, обеспечивается причинно-следственная связь совокупности признаков заявляемого изобретения и достигаемого технического результата: регулирование речного стока путем сглаживания пика половодья за счет создания на притоках реки временных водохранилищ с помощью искусственных наледных плотин и аккумулирования паводочного стока, что предотвращает затопление территорий в период половодья, при этом снижается экологическая нагрузка на природную среду, поскольку исключается отчуждение земель, а нарушение гидрологического режима и условий обитания рыбы возникает только в течение относительно короткого периода.

Пример промышленной применимости изобретения.

На фиг.1-3 изображен продольный разрез участка реки (притока главной реки) в месте установки трубчатого теплообменника в разные периоды времени развития наледной плотины, на фиг.1 - в конце зимнего периода перед половодьем; на фиг.2 - при проведении вентилирования трубчатого теплообменника и образования наледного бугра; на фиг.3 - в период половодья.

В поперечном створе реки - притока главного водотока на уровне дна 6 устанавливают трубчатый теплообменник 1, расположенный в поперечном створе. Трубчатый теплообменник 1 соединен торцевыми частями с разновысокими стояками 2, установленными на противоположных берегах, открытые концы стояков 2, сообщающих теплообменник 1 с атмосферой, расположены на отметках, исключающих попадание в них воды при паводковых уровнях воды в реке. Стояк 2 большей высоты имеет теплоизоляцию, выполненную из теплоизолирующего материала, например земляной обсыпки 3, и оборудован поворотной заслонкой 4. Теплообменник 1 при открытой заслонке 4 и температуре воздуха ниже 0°С обеспечивает образование наледного бугра 5 на дне 6 реки, который при смыкании с поверхностным ледяным покровом 7 реки образует наледную плотину. При повышении уровня воды 8 в реке относительно ординара 9, который характерен для нерегулируемых условий в предполоводный период, непосредственно вокруг трубчатого теплообменника 1 ниже отметок дна реки образуется зона промерзания 10 грунтов. В створе расположения теплообменника 1 вертикально устанавливают анкеры 11, заглубленные в дно реки и обеспечивающие большую устойчивость наледной плотины. При повышении уровня воды 8 в реке ледяной покров 7 деформируется и в нем образуется зона трещиноватости 12. В период половодья при активном таянии снега вода на участке расположения наледной плотины в результате подпора может выходить на поверхность низкой поймы 13 реки. Стрелками показано направление движения воды.

Для предотвращения затопления территории, вызываемого весенними половодьями, в верховьях рек - притоков основного водотока по поперечникам их русл устанавливают трубчатые теплообменники 1 на перекатных участках. Трубчатые теплообменники 1 могут выполнять, например, в виде трубчатого воздуховода - одной-двух параллельных труб, уложенных горизонтально на отметках дна 6 реки. Торцы труб теплообменника 1 герметично соединяют с вертикальными стояками 2. Для обеспечения активного вентилирования стояки 2 выполняют разновысокими, вокруг стояка 2 большей высоты создают теплоизоляцию, например, в виде земляной обсыпки 3. В конце зимнего периода (фиг.1) перед половодьем в реке имеется поверхностный ледяной покров 7, а уровень воды соответствует ординару 9, характерному для естественных нерегулируемых условий, при этом заслонка 4 на вентиляционном стояке 2 находится в закрытом состоянии, что предотвращает попадание холодного воздуха в теплообменник 1.

Для образования наледной плотины перед половодьем заслонку 4 на вентиляционном стояке 2 открывают, при этом воздух, находящийся в теплообменнике и имеющий положительную температуру, через стояки 2 замещается атмосферным воздухом с температурой ниже 0°С. Поступая в трубы теплообменника 1, холодный воздух за счет теплоотдачи охлаждает окружающий грунт в русловой части перекатного участка и с более высокой температурой проходит в стояк 2 большей высоты, имеющей теплоизоляцию 3, которая здерживает процесс охлаждения воздуха, нагретого в трубах теплообменника 1. Это обеспечивает создание большего температурного градиента - разности температур воздуха в стояках 2 и, следовательно, более активное вентилирование. При переохлаждении грунта в русловой части перекатного участка в створе установки теплообменника 1 образуется бугор 5 донного льда (фиг.2), в который вмерзают анкеры 11, заглубленные в дно реки. В период перед половодьем при неустойчивой температуре воздуха, когда она в дневное время суток может быть выше 0°С, заслонку 4 на это время закрывают, чем прекращают вентилирование, а рост наледного бугра 5 приостанавливается. Наличие анкеров 11, заглубленных в дно реки, предотвращает неконтролируемый размыв или снос наледного бугра 5. Кроме того, непосредственно вокруг трубчатого теплообменника 1 ниже отметок дна 6 реки образуется зона промерзания 10 грунтов. При смыкании наледного бугра 5 с поверхностным ледяным покровом 7 реки образуется наледная плотина. За счет подпора повышаются уровень воды 8 в реке относительно ординара 9, который характерен для нерегулируемых условий в предполоводный период. На участке примыкания ледяного покрова 7 к наледной плотине происходит его частичное разрушение и образуется зона трещиноватости 12 ледяного покрова 7. Через эту зону 12 вода из реки поступает на поверхность ледяного покрова 7 и, растекаясь тонким слоем, сбрасывается в нижний бьеф наледной плотины (направление движения воды показано стрелками на фиг.2).

При снижении температуры воздуха ниже 0°С, в частности в ночное время, происходит замораживание воды, перетекающей тонким слоем через гребень наледной плотины, и постепенное наращивание ее высоты. Создаваемый подпор уровней 8 воды в верхних бьефах наледных плотин обеспечивает постепенное аккумулирование половодного стока. При этом уровень 8 воды на притоках основной реки на участках установки теплообменников 1 может превышать отметки поверхности низкой поймы 13 и распространяться на значительной площади (фиг.3). В нижние бьефы за счет перелива через гребни плотин сбрасывается лишь избыточный сток, который суммарно из временных водохранилищ, располагаемых на притоках, не должен превышать расхода выхода воды на пойму в русле главной реки. Для того чтобы добиться такого соответствия повышают отметки гребней плотин за счет регулирования интенсивности вентилирования теплообменников 1 или увеличивают число наледных плотин на притоках главной реки. Наледные плотины создают за счет установки теплообменников 1 в верховьях притоков главной реки, на которой необходимо защитить прилегающую территорию от затопления при половодье, и (или) создают каскады плотин на одном или нескольких притоках. В весенний период при положительной температуре воздуха регулируют режим таяния наледных бугров 5 за счет повышения или снижения интенсивности вентилирования теплообменников 1, чем обеспечивается регулирование высоты гребней наледных плотин, объем временных водохранилищ и, следовательно, продолжительность сброса стока в период половодья. Интенсивность вентилирования теплообменников 1 регулируют положением заслонок 4 на вентиляционных стояках 2. При большом количестве теплообменников 1 на притоках основной реки обеспечивают дистанционное переключение заслонок 4.

Накопление половодного стока во временных водохранилищах позволяет продлить период сброса воды и тем самым сгладить пик половодья и при постепенном, практически саморегулируемом сбросе талых вод в главное русло предотвращается затопление территории в нижнем течении реки. При этом снижается экологическая нагрузка на природную среду, поскольку исключается отчуждение земель и долговременное затопление территории, отводимой под водохранилища, а нарушение гидрологического режима и условий обитания рыбы возникает только в течение относительно короткого периода, причем в те сроки, когда не наблюдается активного хода (миграции) рыбы. После постепенного таяния наледных плотин гидрологический режим притоков и главной реки полностью восстанавливается до наблюдаемого в естественных условиях, что обеспечивает экологические требования и требования различных водопользователей.