способ регулирования расходов воды и концентраций взвешенных частиц в руслоотводном канале

Формула изобретения

Способ регулирования расходов воды и концентраций взвешенных частиц, поступающих в реку по руслоотводному каналу в начальный период его эксплуатации с учетом природоохранных требований, включающий пропуск расходов воды, позволяющих исключить превышение предельно допустимой концентрации взвешенных веществ в контрольном створе водотока, при помощи поднятия затвора на водозаборном узле, отличающийся тем, что выполняют поэтапную промывку руслоотводного канала, при которой расходы воды увеличивают от минимального до расчетного, не допуская при этом превышения предельно допустимой концентрации взвешенных веществ, определяют предельно допустимый сброс и предельно допустимую к сбросу концентрацию взвешенных веществ на каждом этапе при частичном отводе речного потока по руслоотводному каналу с учетом его смешения или разбавления в нижележащей ненарушенной части реки в меженный период года.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано в железнодорожном, гидромелиоративном строительстве и на горнодобывающих предприятиях для защиты водотоков от загрязнения взвешенными веществами, поступающими по руслоотводному каналу в начальный период его эксплуатации.

Цель изобретения - исключение превышения предельно допустимой концентрации (ПДК) взвешенных веществ в контрольном створе водотока, а также предельно допустимого сброса (ПДС) при отводе речного потока по руслоотводному каналу с учетом его смешения (разбавления) в нижележащей ненарушенной части реки в меженный период года при производстве работ непосредственно в русле реки.

Известно изобретение, предназначенное для очистки потока от взвешенных дискретных частиц в потоке и их разделения по крупности (см. А.с.№1618824, М кл. 5Е02В 8/02 от 07.01.91 г.). Конструкция, предложенная авторами изобретения, представляет собой серию парных перегородок, установленных в углублениях разного объема. В углублениях происходит осаждение взвешенных в потоке частиц.

Недостатком способа является то, что он не позволяет сохранить нормативное качество воды по взвешенным веществам в контрольном створе водотока. При достаточно протяженных каналах и водотоках и больших расходах воды в них концентрация взвешенных веществ, после очистки указанным способом, не будет удовлетворять нормативным требованиям. Эффективность этого способа при пропуске воды невелика без одновременного использования устройств интенсификации размыва и взмучивания отложений в русле. Строительство парных перегородок и устройств интенсификации размыва в русле реки приводит к значительным материальным затратам.

Известен также способ для регулирования реки-водоприемника, который включает искусственное русло, сопряженное своими концами с естественным руслом водотока. Забор воды в искусственное русло осуществляется водорегулирующим сооружением. Паводки пропускаются по искусственному руслу, а расходы воды меженного периода - по естественному руслу реки (см. А.с.№1604891, М кл. 5Е02В 3/02 от 07.11.90 г.).

Недостатком этого способа является то, что сохранение меженного расхода воды не позволяет выполнять работы в русле реки, например отработку подрусловых запасов полезных ископаемых (золото, олово, уголь и др.), строительство мостовых пролетов, быков, трубчатых переездов. Не учитывается также качество воды в контрольном створе водотока при взмучивании воды в реке. Этот способ применим для защиты территории от затопления и подтопления паводковыми водами реки без регулирования содержания взвешенных веществ в контрольном створе реки.

Известен способ очистки, углубления и спрямления русла реки. Он используется в гидротехнике и мелиорации для промывки русел рек. В русле реки выполняются перегораживающие гидротехнические сооружения с регулируемыми водопропускными отверстиями. Выше этих сооружений устраиваются пруды или водохранилища для накопления воды. Режим способа характеризуется тем, что при максимальных наполнениях прудов или водохранилищ открытие водопропускных отверстий осуществляют последовательно и с очередностью, начиная с сооружения, расположенного в низовье рек, и кончая сооружением, расположенным в верховье реки, а при малом наполнении прудов или водохранилищ - с обратной очередностью, при этом открытие водопропускных отверстий осуществляют на величину и со скоростью, прямопропорциональными требуемой интенсивности углубления и спрямления русла (см. RU №2086729, кл. 6 Е02В 3/02 от 10.08.97 г.).

Недостатками этого способа являются те, которые были указаны для предыдущего способа.

Наиболее близким является способ SU №1148928 А, кл. Е02В 3/02. Выполняется регулирование стока рек с помощью подачи воды в них из водохранилища. В водохранилище в период эксплуатации поддерживается первоначальное качество воды путем интенсификации процессов самоочищения. Поставленная цель в этом способе достигается тем, что производится непрерывная подача воды из канала в водохранилище с начала поступления в него поверхностного стока и до его окончания и одновременно создается и поддерживается в прибрежной зоне водохранилища скорость движения воды в пределах 0,15-0,25 м/с с помощью струенаправляющих сооружений.

К недостаткам этого способа относится то, что строительство рекомендованных устройств в каналах и водохранилище приводит к значительным материальным затратам.

Предлагаемый нами способ прост в исполнении и исключает прямоточный способ водоснабжения проектируемого объекта, запрещенный к использованию "Правилами охраны поверхностных вод" и являющийся нерациональным способом использования водных ресурсов. Затраты, необходимые для строительства сооружений, в предлагаемом способе регулирования содержания взвешенных веществ в контрольном створе реки будут минимальными по сравнению со способами, предусматривающими проектирование и строительство специальных сооружений для очистки воды от взвешенных частиц.

Сущность изобретения заключается в следующем. Предлагаемый способ позволяет выполнять любые виды работ в русле реки (строительство мостов, переездов, гидротехнических сооружений, добыча полезных ископаемых и др.) после отведения речного потока по руслоотводному каналу. Отведение речного потока в руслоотводной канал осуществляется поэтапно в подготовительный период. В этот период строительные работы в русле реки не ведутся. Цель поэтапного увеличения расхода воды от минимального до расчетного в руслоотводном канале - регулирование величины расходов воды и содержания взвешенных веществ в подготовительный период и выдерживание тем самым нормативных требований, предъявляемых к величинам концентраций взвешенных веществ в контрольных створах малых водотоков при отводе речного потока по руслоотводному каналу с учетом его смешения (разбавления) в нижележащей ненарушенной части реки в меженный период года.

Способ регулирования качества воды в водном объекте показан на чертеже. Он состоит из струенаправляющей дамбы (низконапорной земляной насыпной плотины), приплотинного водозабора, руслоотводного канала, гидрометрических створов на водотоке и канале, сопрягающих и регулирующих сооружений на канале.

При полном перекрытии русла реки струенаправляющей дамбой и отведении всего потока в руслоотводной канал, проложенный в неоднородных грунтах, будет происходить размыв его дна и откосов. Взвешенные наносы определенного диаметра будут выноситься потоком из канала (процесс самоотмостки) и загрязнять воды реки. Для устранения этого явления предлагается выполнять поэтапный пропуск расходов воды (от минимального до расчетного) по руслоотводному каналу с проведением контроля качества воды по взвешенным веществам в контрольном створе водотока на каждом этапе. К первому этапу промывки руслоотводного канала приступают после выполнения расчета, в котором устанавливают пропускаемые расходы на каждом этапе. Эти расходы назначаются такими, чтобы в контрольном створе реки не произошло превышение предельно допустимой концентрации (ПДК) взвешенных веществ. В канале выдерживается скорость потока превышающая незаиляющую. Регулирование расходов на водозаборном узле выполняется поднятием затвора на необходимую высоту, которая устанавливается по водомерной рейке. Для выполнения таких расчетов предлагается методика.

Первый этап выполняется в меженный (маловодный) теплый период года, когда проще всего осуществляется частичное перекрытие русла реки с целью создания подпора и направления части речного потока через водозаборное сооружение в руслоотводной канал. Конструкция водозаборного сооружения назначается с учетом выполнения условий наименьших затрат на его строительство и возможности регулирования и пропуска заданных расходов воды в руслоотводной канал.

Контроль качества воды производится отбором проб воды на химические анализы в контрольном створе в начале, середине и конце каждого этапа. В химической лаборатории известными способами фильтрации или центрифугирования определяется концентрация взвешенных веществ. Преимущества метода центрифугирования заключаются в сравнительной быстроте, простоте операций и большой устойчивости получаемых данных в случаях, когда при фильтрации происходит выпадение осадков из растворов. Концом первого этапа будет являться момент, в котором концентрация взвешенных веществ в отобранной пробе воды будет меньше установленной для них ПДК.

На каждом этапе с помощью поднятия затвора на необходимую высоту на водозаборном сооружении по руслоотводному каналу пропускается такой максимальный расход, при котором в расчетном (контрольном) створе на водотоке концентрация взвешенных веществ не превышает предельно допустимую (ПДК). На каждом последующем этапе расход воды увеличивается, изменяются гидравлические элементы потока и должно соблюдаться то же условие - не превышение предельно допустимой концентрации взвешенных веществ в контрольном створе водотока.

На последнем этапе по каналу должен быть пропущен расчетный расход воды, который назначается в зависимости от класса сооружения и срока его службы по СНиП 2.06.01-86 "Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования". Последний этап проводится в паводок, расход которого больше на 10% расчетного. На этом этапе завершается полное перекрытие русла реки струенаправляющей дамбой. После выполнения последнего этапа приступают к производству работ в русле реки.

Порядок поэтапной промывки руслоотводного канала заключается в следующем.

Определяем проектные гидравлические элементы и параметры поперечного сечения руслоотводного канала, при которых он будет пропускать расчетный расход воды. Канал с этими параметрами должен быть построен и промыт.

1. Определяем гидравлические элементы и параметры руслоотводного канала при пропуске по нему расчетного расхода. Расчетный расход назначается в зависимости от класса сооружения и срока его службы. Гидравлический расчет выполняется по формуле равномерного движения потока (формула Шези):

где

W - площадь перечного сечения канала, м²;

С - коэффициент Шези, м ^0,5/с;

R - гидравлический радиус, м;

i - уклон дна канала.

где n - коэффициент шероховатости;

где В - ширина канала по дну, м;

m - заложение откосов канала;

h - глубина воды в канале, м;

где - смоченный периметр, м.

2. Задаваясь рядом значений h, определяем для каждого из них расход Q. Определяем такую глубину h, при которой по каналу будет проходить расчетный расход Q.

3. Определяем фактическую скорость (V_фак) воды в канале по формуле:

4. Устанавливаем допустимую неразмывающую и незаилящую скорости V_доп, V_нез по формулам.

Допускаемая неразмывающая донная скорость для однородных по крупности несвязных грунтов находится по формуле:

Допускаемая неразмывающая средняя скорость потока (V_н.доп) находится по формуле:

где

₂, ₀ - плотность материала частиц несвязного грунта и воды, кг/м³;

d - средний диаметр частиц грунта, м;

- нормативная усталостная прочность на разрыв несвязного грунта, Па.

Допускаемая неразмывающая средняя скорость водного потока для неоднородных несвязных грунтов определяется по следующим формулам.

Допускаемая неразмывающая донная скорость потока (V _.н.доп) определяется:

Допускаемая неразмывающая средняя скорость водного потока (V_н.доп) определяется:

где D_отм - средний диаметр частиц отмостки, вычисляемый как средневзвешанный по площади, занимаемой на дне потока частицами укрупненного слоя грунта, м.

Допускаемые неразмывающие скорости водного потока для связных грунтов определяются по формулам, приведенным ниже.

Допускаемая неразмывающая донная скорость потока (V _.н.доп)

Допускаемая неразмывающая средняя скорость водного потока (V_н.доп)

где

- нормативная усталостная прочность на разрыв связного грунта, Па;

d - средний размер агрегатов (отрывающихся отдельностей) грунта, приведенный к диаметру равнообъемного шара, м;

m - коэффициент условий работы;

К - коэффициент однородности связных грунтов.

Величина незаиляющей скорости (V_нез) определяется по формуле:

Должно выполняться следующее условие:

Если это условие выполняется, то производятся расчеты первого этапа промывки. Первый этап промывки выполняется в меженный (маловодный) теплый период года, когда проще всего осуществляется частичное перекрытие русла реки с целью создания подпора и направления речного потока через водозаборное сооружение в руслоотводной канал. Конструкция водозаборного сооружения назначается по любому типовому проекту с учетом условий наименьших затрат при его строительстве и возможности регулировать и пропускать заданные расходы воды в руслоотводной канал. Для открытия затворов водозаборного сооружения с целью пропуска расхода I этапа промывки определяем этот расход способом подбора:

а) от общего расхода воды в реке Q _общ часть отводится в руслоотводный канал - и в реке остается -

Определяем гидравлические элементы и параметры поперечного сечения руслоотводного канала и реки для расходов и по формулам (1), (2), (3), (4), (5), (6), а по формуле (7) находим фактическую скорость V_фак. Проверяем выполнения условия (15);

б) определяем допустимую к сбросу концентрацию взвешенных веществ в воде канала для отдельных выпусков без учета неконсервативности по формуле:

где р - допустимое по санитарным правилам увеличение содержания взвешенных веществ в водном объекте после сброса воды в реку по каналу;

b - фоновое содержание взвешенных веществ в воде реки, мг/л;

a₁ - коэффициент смешения,

где d₁ - коэффициент, учитывающий гидравлические условия в реке,

где

Z - коэффициент, зависящий от места выпуска сточных вод;

К - коэффициент извилистости реки;

D ₁ - коэффициент турбулентной диффузии, м ²/с;

где

g - ускорение свободного падения, м ²/с;

V₁ - фактическая скорость воды в реке при Q₁, м/с;

h ₁ - глубина воды в реке при Q₁ м;

n_р - коэффициент шероховатости;

C₁ - коэффициент Шези для реки при Q ₁ м^0,5/с;

L - длина, на которую удален контрольный створ от места, где происходит слияние вод реки и руслоотводного канала, м;

в) определяем транспортирующую способность канала p₁ для условий пропуска расхода по формуле:

где

W₁ - гидравлическая крупность частиц среднего диаметра, мм/с;

V ₁ - скорость течения воды в канале, м/с,

R ₁ - гидравлический радиус канала, м;

i _к - уклон дна канала;

г) сравниваем допустимую к сбросу концентрацию взвешенных веществ в воде канала m ₁ и транспортирующую способность канала ₁ при заданных и . В этом случае должно соблюдаться условие m _{1 1}.

Величина назначается таким образом, чтобы этот расход был возможно максимальным, но при этом должно соблюдаться условие m _{1 1}.

После проведения первого этапа промывки увеличиваем расход воды в руслоотводном канале и осуществляем второй этап, повторяя расчеты, указанные в пунктах а, б, в, г.

Количество этапов промывки будет зависеть от количества промывных расходов, на которые делится расчетный расход Q_pac.

Последний этап промывки проводится в паводок, расход которого равен или больше расчетного. В этом этапе должно быть завершено полное перекрытие русла реки струенаправляющей дамбой. После выполнения последнего этапа промывки канала приступают к выполнению работ в русле водотока.

Источники информации

1. SU №1148928 А, кл. Е02В 3/02 (прототип).