способ регулирования уровня воды в водохранилище

Формула изобретения

1. Способ регулирования уровня воды в водохранилище, включающий образование мерзлотной корки в береговой зоне, в период образования которой и падения уровня воды в водохранилище осуществляют подачу атмосферного воздуха, а в начальный период оттаивания корки и поднятия уровня воды в водохранилище осуществляют сброс воздуха, отличающийся тем, что подачу атмосферного воздуха осуществляют в подмерзлотный слой грунта для снятия в нем разрежения и повышения стока грунтовых вод в водохранилище, а сброс воздуха осуществляют из подмерзлотного слоя грунта для снижения избыточного давления и увеличения оттока воды из водохранилища, при этом подачу и сброс воздуха осуществляют через полости, проделанные в мерзлотной корке.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу и сброс воздуха в береговой зоне осуществляют на расстоянии L от береговой линии, определяемом по формуле:

,

где Р - максимальная величина вакуума в подмерзлотном слое грунта, м вод.ст.;

I - уклон подстилающего водоупора грунтовых вод, питающих водохранилище;

H - избыточное давление нагнетания атмосферного воздуха в подмерзлотный слой, м вод.ст.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может использоваться при эксплуатации искусственных и естественных водохранилищ.

Известен способ регулирования уровня воды в водохранилище (А.с. №1308694 Е02В 11/00). Недостатком данного способа является невозможность его эффективного использования для регулирования запасов воды в водохранилище в период зимней межени, а также в период весеннего избыточного наполнения водохранилища талыми водами.

Наиболее близким по своей технической сущности является способ регулирования уровня воды в водохранилище, включающий образование мерзлотной корки в береговой зоне, в период образования которой и падения уровня воды в водохранилище осуществляют подачу атмосферного воздуха, а в начальный период оттаивания корки и поднятия уровня воды в водохранилище осуществляют сброс воздуха (см. А.с. СССР №1638274, МПК Е03В 3/32, опубл. 30.03.1991).

Недостатком данного технического решения является сложность его выполнения. Кроме того, этот способ не позволяет эффективно пополнять запасы воды в водохранилище в маловодный период максимального падения ее уровня (зимняя межень), а в период резкого подъема уровня (в начале весеннего снеготаянья) - резервировать накопленные запасы воды за счет снижения избыточного давления. Это объясняется тем, что в период промерзания грунта береговой зоны под мерзлотной коркой образуется разрежение, которое способствует уменьшению стока грунтовых вод в водохранилище, а в весенний период этот способ не позволяет эффективно снизить резкое повышение уровня и запаса воды в водохранилище путем ее обратного оттока в подмерзлотный слой грунта береговой зоны, т.к. подъему уровня грунтовых вод в береговой зоне препятствует повышение давления воздуха, находящегося между уровнем грунтовых вод и воздухонепроницаемой мерзлотной коркой.

Задачей настоящего изобретения является упрощение способа и повышение эффективности регулирования запаса воды в водохранилище.

Настоящая задача решается тем, что в способе регулирования уровня воды в водохранилище, включающем образование мерзлотной корки в береговой зоне, в период образования которой и падения уровня воды в водохранилище осуществляют подачу атмосферного воздуха, а в начальный период оттаивания корки и поднятия уровня воды в водохранилище осуществляют сброс воздуха, подачу атмосферного воздуха осуществляют в подмерзлотный слой грунта для снятия в нем разрежения и повышения стока грунтовых вод в водохранилище, а сброс воздуха осуществляют из подмерзлотного слоя грунта для снижения избыточного давления и увеличения оттока воды из водохранилища, при этом подачу и сброс воздуха осуществляют через полости, проделанные в мерзлотной корке.

Подачу и сброс воздуха в береговой зоне осуществляют на расстоянии L от береговой линии, определяемом по формуле:

,

где Р - максимальная величина вакуума в подмерзлотном слое грунта, м вод.ст;

I - уклон подстилающего водоупора грунтовых вод, питающих водохранилище;

Н - избыточное давление нагнетания атмосферного воздуха в подмерзлотный слой, м вод.ст.

На чертеже дана схема осуществления способа.

На схеме показано водохранилище 1 с ледяным покровом 2 и минимальным уровнем воды 3 в зимний период времени и максимальным уровнем воды 4 в весенний период. В береговой зоне 5 водохранилища имеется слой малопроницаемого грунта, представленный мерзлотной коркой 6 с нижней границей промерзания 7 и подмерзлотный слой 8. Подачу атмосферного воздуха в подмерзлотный слой 8 осуществляют через полости 9. Питание водохранилища осуществляется грунтовыми водами 10, имеющими минимальный уровень в виде кривой спада 11 в зимний период межени и максимальный уровень в виде кривой подпора 12, образующийся в весенний период резкого подъема воды в водохранилище. Грунтовые воды расположены на подстилающем водоупоре 13.

Способ осуществляется следующим образом. В зимний период после формирования в береговой зоне 5 мерзлотной корки грунта 6 в его подмерзлотном слое 8 между уровнем грунтовых вод в виде кривой спада 11 и нижней границей промерзания 7 образуется разрежение величиной Р=0,2-0,4 м вод.ст., которое препятствует стоку грунтовых вод в водохранилище.

Для повышения эффективности стока грунтовых вод в водохранилище через полости 9, проделанные в мерзлотной корке 6, осуществляют подачу атмосферного воздуха за счет атмосферного давления в подмерзлотный слой грунта 8. Подача атмосферного воздуха снимает разрежение (вакуум) в подмерзлотном слое грунта 8, а в условиях подачи атмосферного воздуха с избыточным давлением в подмерзлотный слой сток грунтовых вод в водохранилище осуществляется более интенсивно. Таким образом, достигается повышение уровня и запасов воды в водохранилище.

В весенний период резкого подъема воды в водохранилище сброс избыточного давления воздуха из подмерзлотного слоя 8 через полости 9 способствует оттоку воды из водохранилища 1 в береговую зону 5, где осуществляется ее накопление и резервирование.

Пример 1. В прибрежной зоне водохранилища, с максимальной величиной вакуума в подмерзлотном слое Р=0,35 м вод.ст. на расстоянии от береговой линии, определяемом по вышеизложенной формуле после формирования мерзлотной корки толщиной 15 см (конец ноября месяца) были пробурены две рабочих скважины диаметром 80 мм на глубину 2,5 м ниже уровня залегания грунтовых вод. Расстояние между рабочими скважинами составляло по 100 м. В скважины были установлены тепловые трубы, центральный канал которых позволял соединять подмерзлотный слой с атмосферой. Для доказательства повышения эффективности и регулирования стока грунтовых вод в водохранилище и возможности его регулирования в скважинах периодически замеряли уровень грунтовых вод. Контролем явился уровень грунтовых вод в скважине, пробуренной в конце февраля месяца, расположенной в 150 м от береговой линии. Контрольная скважина удалена от опытных скважин на 300 м. В результате действия рабочих скважин по заявленному способу уровень грунтовых вод в них к 1 марта понизился на 0,4 м по сравнению с контрольной скважиной. Это свидетельствует об эффективности оттока грунтовых вод в водохранилище и о достижении возможности регулирования в нем уровня воды.

Для обеспечения снижения уровня воды в водохранилище, вызванного стоками талых вод, 15 апреля были произведены замеры уровней грунтовых вод в рабочих скважинах и вновь пробуренной скважине (контрольной), удаленной от одной из рабочих скважин на 300 м с другой стороны. Уровень грунтовых вод в рабочих скважинах оказался выше, чем в контрольной, на 0,2 м, что свидетельствует об эффективности регулирования оттока воды из водохранилища в береговую зону.

Пример 2. Для повышения эффективности способа осуществляли принудительную подачу воздуха в подмерзлотную зону через тепловую трубу с использованием компрессора ЗИФ-5 (производительность - 5 Нм^3/мин, максимальное давление подачи воздуха - 7 атм.).

Предварительно было установлено, что избыточное давление подачи воздуха в подмерзлотную зону в береговой зоне водохранилища составляет 1 атм. или 10 м вод.столба. В этом случае расстояние от береговой линии до пункта закачки воздуха в соответствии с вышеприведенной формулой составляет

Закачку воздуха проводили в течение 24 часов 15 января, 1 февраля и 20 февраля.

Для сравнения эффективности стока грунтовых вод в водохранилище была пробурена контрольная скважина с последующей установкой в ней аналогичной тепловой трубы, с полым центральным каналом. Контрольная скважина была расположена на расстоянии 1000 м от скважины закачки воздуха и удалена от береговой линии также на расстояние 451 м.

При замерах уровня грунтовых вод перед паводком (3 апреля) было установлено, что уровень грунтовых вод в скважине нагнетания воздуха на 0,6 м ниже по сравнению с контрольной скважиной. Это также свидетельствует об эффективности оттока грунтовых вод в водохранилище и о достижении возможности регулирования в нем уровня воды при создании избыточного давления в рабочих скважинах береговой зоны.

В период половодья (17 апреля) в рабочих скважинах, подвергнутых поддуву воздуха в зимний период и последующему отключению магистрали подачи воздуха перед паводком для обеспечения свободного выхода воздуха в атмосферу, уровень грунтовых вод повысился на 0,4 м по сравнению с уровнем, замеренным 17 апреля в контрольной скважине. В контрольной скважине уровень грунтовых вод повысился только на 0,1 м. Это свидетельствует об эффективности оттока воды из водохранилища в береговую зону и возможности регулирования запасов воды в водохранилище в период его резкого пополнения талыми водами.

Пример 3. Для оценки эффективности предлагаемого способа регулирования уровня и, как следствие, запасов воды в водохранилищах относительно малого объема осуществляли регулирование уровня воды в зимний период в двух озерах, расположенных в 384 м друг от друга в пойменной террасе реки при уклоне подстилающего водоупора грунтовых вод, равном 0,001, и величине подмерзлотного вакуума Р, равной 0,3 м вод.ст. После формирования в береговой зоне мерзлотной корки толщиной 20 см (начало декабря месяца) мотобуром Д-10 вблизи опытного озера были пробурены две скважины диаметром 80 мм на глубину 3 м. Расстояние от береговой линии до скважин определяли по формуле , которое составляло при Н=0 300 м. Скважины были расположены со стороны, противоположной расположению контрольного озера. В скважины были установлены тепловые трубы, центральный канал которых позволял осуществлять доступ атмосферного воздуха в подмерзлотную зону грунта.

Для доказательства эффективности способа вблизи контрольного озера, расположенного в 384 м от опытного бурения скважин, установку тепловых труб не проводили. В результате действия рабочих скважин к 10 марта уровень воды в опытном озере оказался на 15 см выше, чем в контрольном. Это было засвидетельствовано по проседанию льда, замеренного теодолитом. Данный факт говорит о том, что уровень воды в опытном озере оказался выше, чем в контрольном, и подтверждает возможность осуществления данного способа в озерах.