Полок – Ковальска Александра

Будзило Барбара

Краковский политехнический институт, Польша

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВОДОЗАБОРОВ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД С УЧЕТОМ АСПЕКТА ЗАЩИТЫ ИХТИОФАУНЫ.

РЕЗЮМЕ

Юридические нормы Евросоюза обязываеют нас к защите гидроресурсов, в том числе ихтиофауны. Относительно двухсредовых проходных рыб наиболее важным элементом является обеспечение безопасной их миграции и беспрепятственного доступа к нерестилищам. Для этого необходимо принятие ряда действий таких как: сооружение рыбоходов, ренатурализация речных русел, одновременно делая их проходимыми, а также применение других разнообразных мер предотвращающих проникновению рыб в водозаборы. Защита рыб и молоди может осуществляться путем применения разнообразных бихевиоральных барьеров (например электро-электронных). Однако, опыты, проведенные в Америке и Канаде показывают, что наибольший эффект достигается при применении водоприемников (экранов) со специальными конструкционными решениями. В работе представлены примеры водоприемников (экранов) затопленных водозаборов, обеспечивающих защиту рыб и молоди. Собраны также основные указания касающиеся их проектирования. Работа содержит также краткое описание разработанной расчетной программы «АТЭН – УйВ» для проектирования водозаборов поверхностных вод. При выборе технического решения затопленного водозабора (УйВ) программа делает возможным учет аспекта защиты ихтиофауны путем определения максимальной входной скорости или выбора типа водоприемника.

Введение

Настоящие юридические нормы Евросоюза регулируют вопросы охраны окружающей среды. Очень важно трактуются вопросы уравновешенного развития и охраны природы, это особенно видно в способе подхода к реализации новых инвестиций. Директивы Евросоюза обязывают нас к защите гидроресурсов, в том числе к ихтиофауне.

В Польше уже в течение нескольких лет широко масштабно осуществляется программа реституции проходных рыб [11], целью которой является восстановление наиболее ценных видов рыб. Эта программа связана не только с зарыблением районов потенциальных нерестилищ и роста молоди, а и сооружением рыбоходов, ренатурализацией речных русел, одновременно делая их проходимыми. Однако по-прежнему остаются в тени вопросы обеспечения безопасности ихтиофауны в водозаборах поверхностных вод.

Забор поверхностной воды может быть причиной потери в популяции рыб живущих или мигрирующих вблизи водоприемников. Особенно это относится к молоди и незрелым рыбам, которые характеризуются малыми размерами и слабыми плавающими способностями. Рыбы могут подвергнуться искалечению вследствие их притягивания к поверхности водоприемника, от которой они не могут оторваться, ввиду большой скорости потока воды. Еще большей опасностью для жизни рыб является вовлечение их в оборудование водозабора, откуда они уже не имеют возможности уплыть. В связи с этим применение решеток на входе в водозабор не является достаточным обеспечением для безопасности рыб, необходимы дополнительные защитные мероприятия.

Обзор литературы

Вопросы защиты рыб и молоди в месте установки устройств для забора поверхностных вод уже много лет интересуют разных авторов [3,9]. В таких странах как: США, Канада и Великобритания эта проблема юридечески урегулирована уже много лет тому назад [4,5,6,10]. Защита рыб и молоди от вовлечения их в водозабор может осуществляться путем проектирования бихевиоральных барьеров или применения водоприемников, снабженных специальными экранами. Экраном (англ. screen) называем поверхность водоприемника, которая имеет входные отверстия.

Опираясь на опыты, показывающие поведение рыб вблизи водозаборов, можно устанавливать разные бихевиоральные барьеры, задачей которых является отпугивание рыб от заплывания их в потенциально опасные зоны. К числу применяемых барьеров можно отнести занавесы из пузырей нагнетаемого в воду воздуха, акустические сигналы, электрические барьеры, свет фотовспышки, внезапное впускание сжатого воздуха, завесы из мощного потока воды, свет газосветных и ртутных ламп, а также завесы из подвешенных цепей, которые особенно рекомендуются для больших водозаборов [4,12]. Из числа вышеуказанных бихевиоральных барьеров большой заинтересованностью пользуются электрические барьеры, ввиду их большой эффективности в отпугивании рыб. В работе [12] содержится описание польского электро-электронного устройства «ЭСОР» (электронная система отпугивания рыб). Это устройство генерирует неоднородное модулированное импульсное электрическое поле низкого напряжения, которое обеспечивает защиту рыб независимо от их величины. Это устройство имеет международный патент под Nо: РСТ/РL2005/000077.

Исследования по разработке конструкционных решений водоприемников затопленных водозаборов, оснащенных защитными экранами, проводятся на протяжении многих лет [7,8,9]. Применение специальных физических экранов в месте забора воды обеспечивает лучшую защиту ихтиофауны, по сравнению с бихевиоральными барьерами, и дешевле при использовании в малых и средних водозаборах.

Экраны обеспечивающие защиту молоди – проектные указания

Указания по проектированию экранов соответствующих требованиям охраны рыб и молоди содержат публикации [4,5,6].

Одним из основных параметров существенно влияющих на безопасность рыб живущих вблизи водозабора является скорость течения воды к водоприемнику. Скорость течения воды может быть представлена в форме вектора, тогда скорость воды доплывающей к водоприемнику (экрану) v_c можно охарактеризовать при помощи двух составляющих (рис.1):

- скорости притока v_a, перепендикулярной к поверхности экрана, измеряемой на расстоянии около 8-30 см перед поверхностью экрана [4,10],

- скорости промывающей v_s, параллельной к поверхности экрана.

Объяснения:

1 - экран

2 - опора

3 - направление течения водяной струи

v_c - скорость воды доплывающей в водоприемник

v_a - скорость притока

v_s - промывающая скорость

θ - угол между поверхностью экрана и течением реки

Рис.1. Составляющие скорости течения забираемой воды [4]

Составляющая скорости, перпендикулярная к поверхности экрана (v_a), отвечает за притягивание к ней рыб и молоди, а также загрязнений находящихся в водотоке. В свою очередь параллельная составляющая обеспечивает удаление рыб и загрязнений от поверхности экрана.

Промывающая скорость должна быть по крайней мере равна скорости притока [4]. Поэтому экран должен быть установлен таким образом, чтобы угол между его поверхностью и направлением течения воды не превышал 45°. В отдельных американских законодательных нормах [4] требования к промывающей скорости следующие: эта скорость должна быть по крайней мере в два раза больше от скорости притока; этому соответствует максимальный угол заложения экрана равный 26°. Проведенные исследования [4] показали, что степень загрязнений при поверхности экрана зависит от величины соотношения v_s/v_a и в случае, когда:

- v_s/v_a < 5 является высокой

- 5< v_s/v_a <10 является умеренной

- v_s/v_a > 15 является очень низкой.

Ввиду вышесказанного, насколько это возможно, рекомендуется закладывать экраны в водотоках параллельно направления течения воды.

Определение требуемой полезной поверхности экрана (вместе с впускными отверстиями) связано с входной поверхностью (v_w), т.е. в впускных отверстиях (щелях) [4,6] Этого критерия придерживаются производители экранов и рекомендуют его к применению. Согласно американским нормам [4] входная скорость не должна превышать
0,15 м/сек. Канадские же нормы [6], разработанные для малых водозаборов производительностью до 125 дм³/сек., и охраны молоди, длиной 25 мм, увязывают входную скорость со способом плавания рыб. В данной работе [6] сопоставлены наиболее распространенные виды рыб и способы их плавания. Выделены два способа плавания:

- „форельный” касается рыб, которые плавают как форель или лосось, приводя в движение только заднюю часть тела – допускаемая входная скорость 0,11 м/сек.,

- „угревый” касается рыб, которые плавают как угорь, двигаясь всем телом допускаемая входная скорость 0,038 м/сек.

Для определения требуемой полезной поверхности экрана (F) необходим коэффициент перфорации экрана. Поверхность F можно вычислить с помощью следующей формулы [4,6]:

(1)

Где:

F - требуемая полезная поверхность экрана [м²],

Q - проектная производительность водозабора [м³/сек.],

v_w - принятая допустимая входная скорость [м/сек],

φ - коэффициент перфорации экрана [%].

Tребуемую входную поверхность экрана (F_w) можна рассчитать по формуле:

(2)

А для заборов воды до 125 дм³/сек. можно подобрать, используя диаграммы или таблицы, помещенные в работе [6], в зависимости от способа плавания рыб. Для расчета полной поверхности экрана необходимо увеличение вычисленной полезной поверхности на 5-10% [4], для учета например: рамок.

Общеприменямые в США и Канаде экраны изготавливаются из [4,5,6]:

- плетеной проволочной сетки (Pис. 2). Это часто встречаемый вид экранов, доступный в широком диапазоне диаметров применяемых проволок. Он может быть изготовлен из различных материалов таких как: оцинкованная сталь, нержавеющая сталь, из меди или синтетического волокна ( нейлона, полистерола). В зависимости от формы экрана требуется проволока соотвественного диаметра например, 1,5 mm для постоянного плоского экрана или 20 mm для барабанного экрана [5].

- перфорированного листового металла (Рис. 2). Впускные отверстия могут иметь любую форму (круглые, квадратные, продольные и т.п.). Применяемый материал это оцинкованная сталь, нержавеющая сталь, алюминий или пластические массы. Этот тип экрана относительно дешевый, удобный для использования, легко чистится, его недостатком является небольшой процент открытой поверхности (до 30%), а также возможность деформации в процессе вырезки, что может оказывать влияние на эффективность очистки.

- профилированных стержней (англ. рrofile bar), наичаще клиновой формы (Рис. 2). Этот вид экрана обычно изготовлен из стержней уложенных параллельно и приваренных к несущей конструкции. Преимуществом этих экранов является прочность, гладкая и однородная поверхность, высокий коэффициент перфорации поверхности (свыше 60%), легко чистящийся. Недостатком является его высокая стоимость.

Рис.2. Общеприменяемые виды экранов [5,6]

Объяснения: I - Плетеная проволочная сетка, II - Плита перфорированная,
III - Профилированная проволока: 1 - клиновая проволока, 2 - стержень консольный,
IV - Профиль плетеной проволочной сетки: 3 - квадратные отверстия, 4 – течение,
5 - отверстие в свете, V - Профиль клиновей проволоки: 6 - отверстие в свете,
7 - течение, 8 - длинные узкие щели, 9 - клиновая проволока, 10 - увеличение размеров отверстий уменьшает их закупорку

Представленные экраны могут быть различной формы (Рис.3).
К наиболее часто применяемых относятся плоские экраны, барабанные и цилиндрические.

Рис. 3. Примерные формы экранов [6]

Объяснения: 1 - Кругообразный экран из перфорированной плиты, 2 - Кругообразный экран из проволочной сетки, 3 - Квадратный экран из клиновой проволоки,
4 - Квадратный экран из проволочной сетки, 5 - Барабанный или цилиндрический экран из перфорированной плиты, 6 - Экран из проволочной сетки ящичного типа

Выбор входной поверхности экрана обусловлен величиной молодых рыб обитающих в месте локализации водозабора. В таблице 1 предсталены нормы США, касающиеся размеров входных отверстий и минимального коэффициента перфорации поверхности экрана.

Таб.1. Максимальные размеры входных отверстий для разных видов экранов,
в зависимости от величины появляющихся молодых рыб [4,5].

Вид экрана	Молодь длиной ^( 1) до 60мм	Молодые рыбы длиной ^( 1) > 60 мм
Плетеная проволочная сетка	2,38мм ^(2) (0,0938 дюйма)	6,35мм ^(2) (0,25 дюйма)
Перфорированная жесть	2,38 мм ^(3) (0,0938 дюйма)	6,35мм ^(3) (0,25 дюйма)
Профилированный стержень	1,75мм ^(2) (0,069 дюйма)	6,35мм ^(2) (0,25 дюйма)
Минимальный коэффициент перфорации поверхности экрана [%]	27	40

Объяснения: (1) - длина измеряемая от носа до разветвления хвоста,
(2) - максимальная ширина отверстия в наиболее узком месте, (3) - максимальный диаметр отверстия или ширина щели.

Согласно же канадским нормам [6], разработанным для защиты молоди длиной 25 мм, минимальный коэффициент должен составлять 50%, а максимальная допустимая ширина входного отверстия - 2,54 мм.

Работы [4,5,6,10] содержат также ряд дополнительных указаний касающихся способа изготовления и установки экранов:

- водоприемники (экраны) водозаборов поверхностных вод должны быть установлены в местах наименьшей численности рыб в течение года, в отдалении от мест метания рыбами икры, а также, по мере возможности , от природных и искусственных конструкций, которые способны притягивать рыбы,

- экран должен быть изготовлен из коррозиустойчивого и достаточно прочного материала для обеспечения гладкой и однородной поверхности в течение долгого периода его эксплуатации,

- материал и способ изготовления экрана и несущей конструкции должны обеспечить их интегральную целостность, для гарантирования стабильности водоприемника,

- водоприемник не может иметь щелей, размеры которых больше от входных отверстий, например в месте соединения или крепления экрана,

- в некоторых случаях, требованиями предусмотрено применение экрана изготовленного из материала задерживающего рост растительных организмов (медь, никель),

- конструкция водоприемника должна обеспечивать равномерное распределение входной скорости по всей поверхности экрана,

- водоприемники (экраны) должны быть установлены ниже водного зеркала, на глубине составляющей не менее чем половины диаметра экрана, а в случае барабанного экрана не меньше 65% от его диаметра,

- водоприемники (экраны) должны быть смонтированы на расстоянии равном не менее половины диаметра экрана от дна водотока или существующей боковой стены, однако согласно [6] не меньше, чем
0,3 м от дна,

- в резервуарах водоприемники необходимо устанавливать на максимально возможную глубину, в целях сокращения количества подплывающих рыб,

- рекомендуется проектирование водоприемников (экранов) оборудованных автоматической системой очистки, в противном случае требуется увеличить полезную поверхность экрана (даже в четыре раза),

- очистка водоприемника может осуществляться при помощи сжатого воздуха, воды под давлением или движущихся щеток локализированных внутри и снаружи экрана,

- водоприемники (экраны) должны быть обеспечены от катучих и взвешенных наносов, обледенения и других факторов, например путем применения плавающих барьеров, дополнительных входных решеток, возможностью их вытягивания из реки при неблагоприятных условиях,

- необходимо создать условия для возможности проведения контроля и профилактических работ (простой доступ), обеспечивающих правильное функционирование экрана, согласно требованиям проектирования,

- водозабор должен быть изготовлен так, чтобы минимализировать неблагоприятные изменения в водной среде.

Примеры применяемых в настоящще время водоприемников (экранов)

Уже в 1976 году Р. Ричардс в своей работе [9] представил оригинальное решение водоприемника изготовленного из трубы с щелевой перфорацией. Стандартный водоприемник из перфорированной трубы был модифицирован путем добавления внутренней втулки. Проведенные модельные испытания показали, что применение втулки обеспечило равномерную входную скорость воды по всей поверхности водопремника. Водоприемник запроектирован с целью защиты ихтиофауны, поэтому его размеры были так подобраны, чтобы входная скорость воды была как можно наименьше. В рассматриваем случае случае входная скорость воды была равна около 1,5 м/сек., скорость же притока, измеряемая на расстоянии oколо 10 мм от поверхности экрана, достигала едва 0,06 м/сек.

Фирма „Johnson Screens” уже в течение многих лет предлагает цилиндрические водоприемники из клиновой проволоки (Рис. 4). Эти водоприемники обеспечивают равномерную входную скорость на поверхности экрана, благодаря применению соответствующего решения модификатора течения, охраняемого патентом [8]. Установлено, что применение водоприемников с модификатором состоящим из двух труб обеспечивает равномерность течения воды по поверхности экрана более чем 90% (это соответствует отношению среднего течения к максимальному). Водоприемники фирмы „Johnson Screens” имеют автоматическую систему промывки сжатым воздухом. Этого типа водоприемники установлены на водозаборе «Рудава» в городе Кракове.

a) рисунок водоприемника	b) водоприемник установленный на водозаборе „Рудава”

Рис. 4. Цилиндрический водопремник с экраном из клиновой стали фирмы „Johnson Screens”

Объяснения: 1 – экран из клиновой проволоки, 2 – внутренний модификатор течения (Патент No 6,051,131), 3 – конусный отклонитель, 4 – сопло разводящее сжатый воздух, 5 – ввод сжатого воздуха, 6 – фланец.

Еще одним примером являются водоприемники фирмы „Intake Screens Inc”, которые могут иметь цилиндрическую (Рис. 5) или конусообразную форму. Конусообразные водоприемники рекомендуются для забора воды из мелких водотоков. Опыты фирмы „Intake Screens Inc” [7] касающиеся эксплуатации водоприемников показывают, что их очистка путем продувания сжатым воздухом или водой не предотвращает появления эффекта „фаулинга” (fouling), т.е. аккумуляции водных организмов и развития водорослей. Стремясь ограничить до минимума возможности „фаулинга” входной поверхности водоприемника, фирма разработала и запатентовала механическую систему очистки, включающую схему внешних и внутренних щеток.

Объяснения:

1 - вращательный экран из клиновой
проволоки

2 - внутренний трубчатый отключатель
струи

3 - внешние щетки

4 - внутренние щетки

5 - вход забеспеченный решеткой

6 - гидравлический двигатель

7 - направляющая

8 - втягиваемый провод

Рис. 5. Цилиндрический водоприемник с экраном из клиновой проволоки фирмы ISI (Ратент Nо 7,347,933) [7]

Расчетная программа „АТЭН – УйВ”

Разработанная программа „АТЭН – УйВ” позволяет выбрать техническое решение для разных типов водозаборов поверхностных вод, в том числе для дренажного, затопленного легкого типа, а также совместного (дренажно-затопленного). Алгоритм выбора решения основан на технико-экономическом-надежностном анализе, при помощи использовании сформулированной математической модели и оптимизационного условия.

Оптимальный проектный вариант необходимого водозабора вычисляем руководствуясь заданными технико – экономическими и эксплуатационными требованиями, одновременно учитывая необходимую надежность водозабора поверхностных вод. Действие программы сводится к выбору технического решения с минимальной стоимостью затрат на строительство, но согласно соответствующих техническим, гидравлическим и надежностным требованиям.

Для принятых входных данных, содержащих технические и надежностные параметры рассматриваемого водозабора (УйВ) (т.к. производительность, допустимая входная скорость воды к водоприемнику УйВ, полезная и водогрунтовая обусловленность, показатели готовности и количество элементов отдельных технических устройств) программа представляет оптимальное решение, т.е. соответствующее всем заданным граничениям и характеризующаяся самой низкой стоимостью строительства.

Распечатанное оптимальное решение содержит заданные технические, гидравлические, экономические и надежностные параметры, такие как: количество основных и резервных элементов отдельных технических устройств, диаметры трубопроводов, средние скорости течения, энергетические потери, стоимость строительных работ. Программа позволяет записать входные данные в форме базы данных, что в свою очередь обеспечивает их модификацию и быстрое получение оптимального решения для разных условий. Легкость выполнения обширной серии расчетов делает возможным проведение разнородных анализов отображающих влияние изменчивости одного из параметров на получаемый результат, например влияние входной скорсти на стоимость строительства водоприемника затопленного УйВ, а также всего водозабора.

При выборе технического решения затопленного УйВ, программа позволяет на учет аспекта защиты ихтиофауны путем определения максимальной входной скорости или выбора вида водоприемника. Представленную программу „АТЭН-УйВ” можно применять как при проектировании новых водозаборов поверхностных вод, так и при модернизации уже существующих.

Выводы

Принимая во внимание представленные в работе вопросы можно сформулировать следующие выводы :

1. Представленные в работе водоприемники (экраны) затопленных водозаборов обеспечивают лучшую защиту ихтиофауны, по сравнению с бихевиоральными барьерами и являются более экономичными, в случае малых и средних водозаборов.

2. Условием рационального функционирования водоприемников (экранов) является правильное использование и консервация, что возможно благодаря их оснащению автоматической очисткой.

3. В настоящее время доступны многие работы содержащие требования касающиеся способов изготовления и установки экранов, а также уже изготовленные экраны.

4. Учет при проектировании водозаборов поверхностных вод технико-экономично-надежностного анализа (АТЭН) позволяет выбрать техническое решение гарантирующее не только соответствие принятым нормам, но и требуемую надежность, при минимализации связанных с этим затрат.

5. Использование вспомогательных инструментов таких как: готовые расчетные программы в процессе проектирования новых или уже существующих водозаборов, в значительной степени позволяет на быстрейший выбор предварительной версии проекта.

6. Разработанная расчетная программа делает возможным выполнение в кратчайшие сроки все необходимых кропотливых расчетов и подбор правильного технического решения проетируемого водозабора поверхностных вод, удовлетворяющего принятым технико-экономическим показателям, а также критериям надежности.

Литература

[1] Budziło B., Polok-Kowalska A. (2007): Investigations of drainage and submerged water intakes in Southern Poland. IV 10^th International Symposium on Water Management and Hydraulic Engineering, Croatia, Solaris, Šibenic 4-9 September 2007

[2] Budziło B., Polok-Kowalska A. (2008): Metoda wyboru technicznego rozwiązania ujęcia wody powierzchniowej. XX Jubileuszowa-Krajowa, VIII Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna „Zaopatrzenia w wodę, jakość i ochrona wód”, XX-th Jubilee-National, VIII-th International Scientific And Technical Conference „Water Supply and Water Quality” Poland, Gniezno 15-18 June

[3] Химицкий К.Ф. (1971): Состояние рыбозащиты в береговых водозаборах с плоскими и ленточными сетками. Водоснабжение и Санитарная Техника, 1971, No. 10, с. 19-23

[4] Fish protection at water diversion. A guide for planning and designing fish exclusion facilities. Department of the Interior Bureau of Reclamation Denver, Colorado, USA, 2006

[5] Fish protection screen guidelines for Washington State. Washington Department of Fish and Wildlife, 2000, Draft 4/25/00

[6] Freshwater Intake End-of-Pipe Fish Screen Guideline. Department of Fisheries and Oceans, Ottawa, Ontario, Canada, 1995

[7] Hayes D. (2008): Designing fish screens in challenging conditions to protect both fish and pumps. Salmonid Restoration Conference, Lodi, CA, March 6, 2008

[8] Patent USA No. 6,051,131: Flow modifier for submerged intake screen. April 18, 2000, Maxson R.C.

[9] Richards R.T., Hroncich M.J. (1976): Perforated-pipe water intake for fish protection. Journal of Hydraulics Division, Vol. 102: 1976, No. HY2, s. 139-149

[10] Turnpenny A.W.H., Struthers G., Hanson K.P., Fawley Aquatic Research Laboratories Ltd & Hydroplan (1998): A UK guide to intake fish-screening regulations, policy and best practice.

[11] Wiśniewolski W., Augustyn L., Bartel R., Desowski R., Dębowski P., Klich M., Kolman R., Witkowski A. (2004): Restytucja ryb wędrownych a drożność polskich rzek. Opracowanie WWF Polska, Warszawa 2004

[12] Zioła S., Mokwa M., Wiśniewolski W. (2008): Wstępne wyniki badań skuteczności bariery elektrycznej „ESOR” do kierowania zachowaniem ryb na wlotach do ujęć wody i przepławek. Część I. Doświadczenia Laboratoryjne. Komunikaty Rybackie, 2008, nr 1