Повышение надежности поверхностных источников водоснабжения при устойчивой тенденции посадки русла в местах размещения береговых водозаборных сооружений

На правах рукописи

ГАВРИЛЮК СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

ПОВЫШЕНИе НАДЕЖНОСТИ поверхностных

источников водоснабжения при устойчивой

тенденции посадки русла в местах размещения береговых водозаборных сооружений

05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

05.23.16 Гидравлика и инженерная гидрология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Волгоград - 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Новочеркасской государственной мелиоративной академии.

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор	КУВАЛКИН АЛЕКСЕЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кандидат технических наук, профессор	МУСАЕЛЯН САРКИС МОВСЕСОВИЧ ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» ЧЕБОТАРЕВ МИХАИЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ
Ведущая организация	ФГБОУ ВПО «Южно-Российский Государственный технический университет» (Новочеркасский политехнический институт)

Защита состоится 18 ноября 2011 г. в 1100 на заседании диссертационного совета ДМ 212.026.05 при ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете , ауд. Б-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан 18 октября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из важнейших аспектов проблемы водоснабжения является обеспечение надежности работы водозаборов. На крупных водохозяйственных объектах широко используются береговые водозаборные сооружения. Многолетние наблюдения показали высокую работоспособность данного типа водозаборов, но выявили недостаточную их функциональную надежность в современных условиях в связи с тенденцией ежегодного снижения горизонта низких вод (ГНВ) ниже расчетного. За последние 50-60 лет произошли изменения, которые обусловили значительное снижение ГНВ в створах водозаборов в результате, так называемой «посадки» речного русла, причинами которой являются, как естественные гидрологические процессы, так и хозяйственная деятельность, проводимая в бассейне. Эти факторы проявляют себя по-разному во времени и для различных рек и участков водотоков. Так, снижение ГНВ в русловой части рек, которые являются источниками централизованного водоснабжения городов средней полосы России, Южного Урала и Западной Сибири, в среднем составляет 3-5 см в год.

Природные источники воды являются важнейшей из внешних (ассоциированных) систем водоснабжения, от которой в значительной степени зависит успешное выполнение функций водоснабжения объекта. Отказ источника влечет полное нарушение функций водоснабжения, т. е. представляет наиболее серьезную опасность, чем все возможные отказы элементов самой системы водоснабжения. Поэтому надежностная оценка и, соответствующие мероприятия для устранения отказа источника, намеченного к использованию, является задачей первостепенной важности в системе мер по повышению надежности систем водоснабжения.

Показатели надежности работы береговых водозаборных сооружений устанавливаются в соответствии с требованиями СНиП 2.04.02-84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения» к обеспечению гарантированных уровненных и расходных характеристик в водотоке в створах водозаборов, которые могут быть установлены расчетами или путем строительства регулирующих сооружений.

Решение проблемы обеспечения надежности поверхностных источников водоснабжения в условиях наблюдаемого явления посадки русла должно осуществляться, прежде всего, за счет инженерных мероприятий на участках размещения водозаборов для устранения отказа источника в неблагоприятных условиях водности и дальнейшей тенденции понижения уровней ГНВ.

Для обоснования таких мероприятий необходим системный подход, который предполагает совместное исследование и моделирование гидрологических и гидравлических закономерностей на расчетном участке, определяющих обеспеченность водными ресурсами систем водоснабжения, а также разработку, анализ и оптимизацию вариантов проектных решений по повышению надежности источника водоснабжения в соответствии с фактическим водопотреблением и поступлением водного стока. Это также предполагает оценку технико-экономической эффективности и надежности источника водоснабжения в новых условиях, т. е. после выполнения мероприятий.

Данные вопросы явились предметом исследования диссертационной работы.

Исследования выполнялись в соответствии с Планом мероприятий, утвержденных распоряжением правительства Республики Башкортостан от 01.01.2001 года «Меры по обеспечению оптимальной водности рек в маловодные периоды».

Цель работы – разработать и научно обосновать инженерные мероприятия для повышения надежности поверхностных источников водоснабжения при устойчивой тенденции посадки русла на основе оперативного регулирования водного режима и гидравлической структуры потока на участках рек в местах размещения береговых водозаборных сооружений.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- анализ современного состояния проблемы обеспечения надежности поверхностных источников систем водоснабжения в составе которых используются береговые водозаборные сооружения;

- проведение натурных исследований состояния русловых процессов и существующих тенденций изменения гидрологических и гидравлических условий работы береговых водозаборов;

- оценка характеристик поверхностного источника водоснабжения и уровня его надежности в створах размещения водозаборов в современных условиях на основе методики статистического моделирования;

- создание физической пространственной модели участка реки в районе размещения береговых водозаборов для исследования гидравлических характеристик источника водоснабжения и его взаимодействия с водозаборными сооружениями;

- проведение лабораторных гидравлических исследований и обоснование комплекса инженерных мероприятий, повышающих надежность источников водоснабжения в районе размещения береговых водозаборов;

Основная идея работы состоит в повышении надежности поверхностных источников водоснабжения в районе размещения береговых водозаборных сооружений путем обеспечения необходимого уровенного режима и гидравлической структуры потока на участке реки на основе инженерных мероприятий.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, лабораторные и натурные исследования, моделирование изучаемых процессов, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа с применением ПЭВМ и сертифицированных программ «Microsoft Excel» и «MathCAD Professional».

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована результатами лабораторных гидравлических исследований с использованием законов подобия и физического моделирования; применением при проведении лабораторных и натурных исследований средств измерения, аттестованных метрологической службой; применением методов математического моделирования и обработки экспериментальных данных; сопоставлением результатов, полученных автором, с данными других ученых.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- получены оригинальные экспериментальные данные, характеризующие гидравлический режим участка реки и показатели надежности источника водоснабжения в районе расположения береговых водозаборных сооружений на современном уровне, а также после реализации инженерных мероприятий;

- впервые предложена комплексная компоновочная схема инженерных регулирующих сооружений, обеспечивающих проектные показатели надежности источника водоснабжения путем формирования необходимой гидравлической структуры потока в местах размещения береговых водозаборных сооружений;

- разработан численный алгоритм и его компьютерная реализация для статистической оценки водохозяйственной обстановки в бассейне; получены уточненные на современном уровне гидрологические характеристики в створах расположения береговых водозаборных сооружений, характеризующих уровень надежности источников водоснабжения;

- впервые установлены эмпирические численные зависимости для описания характера взаимосвязи регулирующих сооружений с русловым потоком в створах размещения береговых водозаборных сооружений.

Практическое значение работы:

- на основе натурных исследований получены данные о современном состоянии русловых процессов и состояния поверхностных источников водоснабжения в среднем течении р. Белой;

- выполнена оценка современной водохозяйственной обстановки в бассейне р. Белой, характера гидрологического режима в створе водозаборов и уровня надежности источника водоснабжения в современных условиях, в том числе с учетом предложенных мероприятий;

- разработаны рекомендации по выбору и обоснованию регулирующих конструкций инженерных сооружений, повышающих надежность поверхностных источников водоснабжения при устойчивой тенденции посадки русла в местах размещения береговых водозаборных сооружений.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при разработке мероприятия для обеспечения проектной надежности источника водоснабжения на участке расположения береговых водозаборных сооружений НС-1, НС-2 и НС-3 на р. Белой Республики Башкортостан, что подтверждено актом внедрения в «ПРОМИВХ», г. Ростов-на-Дону, РФ.

На защиту выносятся:

- комплекс инженерных мероприятий для обеспечения проектной надежности поверхностных источников водоснабжения при устойчивой тенденции посадки русла в местах размещения береговых водозаборных сооружений;

- экспериментальные данные, характеризующие гидравлический режим участка р. Белой в районе расположения береговых водозаборных сооружений для различных условий водности, в том числе после осуществления предложенных инженерных мероприятий;

- численный алгоритм статистической оценки показателей надежности источников водоснабжения на выделенных участках бассейна и результаты полученных статистических надежностных оценок для участка размещения водозаборов .

Апробация. Основные результаты диссертационной работы были представлены, обсуждены и получили положительную оценку на всероссийской научно-практической конференции «Мелиорация и водное хозяйство» (г. Новочеркасск, 2008), международной научно-практической конференции «Проблемы мелиорации земель и воспроизводства почвенного плодородия» (г. Краснодар, 2009), научно-практической конференции «Гидравлическая эффективность мелиоративных каналов и сооружений» (г. Новочеркасск, 2011), на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия».

Публикации. По результатам исследований опубликовано 14 печатных работ, в том числе четыре работы по перечню научных изданий, рекомендованных ВАК Минобразования РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и общих выводов, списка использованных литературных источников и приложений. Общий объем диссертации включает 147 страниц основного текста, содержащего 14 таблиц, 46 рисунков, список использованных источников из 198 наименований и 5 приложений на 44 стр.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика диссертационной работы, сформулированы ее цель, задачи, научная новизна и практическая ценность.

В первой главе проанализировано современное состояние обеспечения надежности береговых водозаборных сооружений и систематизированы имеющиеся в литературе сведения об их работе с учетом влияния сложившегося водохозяйственного комплекса и гидрологических процессов, протекающих на водосборной площади бассейна. Большой вклад в исследование проблем надежности работы водозаборов систем водоснабжения внесли: , , , , . В области моделирования и исследования сложных водохозяйственных систем в аспекте их надежности как источников водоснабжения хорошо известны работы , , Пряжинской и др.

Критический анализ проблемы показал, что до настоящего времени недостаточно изучены вопросы работы водозаборных сооружений в условиях широко распространенного для многих российских рек такого явления, как понижение отметок дна («посадка» русла) и, как следствие, снижение уровней ГНВ в створах водозаборов, находящихся в длительной эксплуатации. Наиболее распространенные причины данного явления: добыча песка и гравия из русла в строительных целях, устройство верховых водохранилищ, препятствующих поступлению твердого стока с верхних участков бассейна, строительство искусственных сооружений (мостов, причалов, подводных переходов трубопроводов), высокие показатели водопотребления, водоотведения и регулирования стока, путевые дноуглубительные работы и т. д. Это явление имеет место и носит устойчивый характер для многих рек уже на протяжении нескольких десятилетий и подтверждается данными многолетних наблюдений.

Решение проблемы обеспечения надежности поверхностных источников водоснабжения до настоящего времени осуществлялось в основном путем проведения локальных временных мероприятий без учета процессов, происходящих на вышерасположенных участках водосборной площади и общих тенденций изменения гидрологического режима в бассейне, что позволяло решать проблему лишь на непродолжительный период времени. Как известно, водозаборные устройства систем водоснабжения устанавливаются на проектной отметке. Отбираемый расход воды из русла (q, м3/с) зависит от действующего напора на пороге водослива, т. е. q = f(H). Напор на водосливе (Н) зависит от глубины речного потока (h) в русле реки и соответственно расхода (Q) в данном русле на рассматриваемом участке (створе). Надежность работы береговых водозаборов (рис.1), прежде всего, определяется сезонными колебаниями уровней воды в водотоке и горизонтом низких вод (ГНВ), который должен быть не ниже расчетного на который запроектированы параметры действующих водозаборных сооружений, а также расчетными расходами в русле, позволяющими вести отбор заданного объема воды.

Согласно СНиП 2.04.02-84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения» в качестве критерия надежности поверхностного источника водоснабжения следует рассматривать вероятность превышения (ВП) расчетных (проектных) уровней ГНВ для работы водозабора в зависимости от его категории (ВП=97% для I категории водозаборов) и расчетного минимального расхода в реке (с ВП на уровне 95%), позволяющего вести отбор заданного расхода с учетом сохранения в реке минимальной санитарной проточности и транзита для нижерасположенных водопользователей. Соблюдение этих условий и понимается как обеспечение надежности источника водоснабжения.

Под отказом источника водоснабжения понимается наступление такого его состояния, в котором он не имеет возможности обеспечить получение из него воды вообще или в требуемом количестве и требуемого качества. Таким образом, в условиях снижения ГНВ в качестве отказа берегового водозаборного сооружения подразумевается снижение ниже расчетных (проектных) уровней ГНВ, не позволяющего вести отбор заданного расхода, либо катастрофическое повышение уровня, в результате которого происходит затопление водоприемных устройств или невозможность всасывания воды насосами.

Обеспечение необходимого уровня надежности источников водоснабжения в современных условиях изменения водности и уровней ГНВ достигается на основе специальных инженерных мероприятий. Для разработки последних необходимы современные данные статистических оценок колебания расходов и уровней, определение обеспеченных их значений и сопоставление этих характеристик с нормативом надежности по ВП (согласно упомянутого СНиП 2.04.02-84).

Наблюдения за режимом и состоянием поверхностных водных объектов осуществляется в основном Росгидрометом, а также ведомственными службами предприятий и организаций. Такие данные фиксируют только измеренные показатели для текущего периода времени. В условиях проводимых водохозяйственных мероприятий, строительства и ввода в действие новых объектов, изменения правил регулирования стока и водопотребления на вышерасположенных участках бассейна, фактические ряды гидрометрических измерений невозможно использовать для получения надежностных статистических оценок в силу их неоднородности и несопоставимости во времени. Для большинства речных створов такие наблюдения весьма скудные, либо отсутствуют вовсе (большая часть гидрометрических постов государственной и ведомственной сети наблюдений над расходами и уровнями закрыта в 90-е годы). Поэтому для получения надежносных статистических оценок необходимо использовать методику статистического водохозяйственного баланса, как основного метода, широко используемого в практике проектирования и обоснования параметров водохозяйственных установок и мероприятий на водных объектах, в том числе объектов водоснабжения.

Методология бассейнового планирования на основе водохозяйственного баланса (ВХБ) достаточно хорошо разработана в трудах отечественных и зарубежных специалистов. В научной и проектной практике при анализе ВХБ используются в основном календарный метод расчета ВХБ по восстановленному статистическому ряду расходов воды в расчетных (опорных) створах, а также метод расчета ВХБ по годам характерной водности. Расчеты баланса выполняются за каждый год принятого статистического ряда лет по выбранным интервалам времени (сезоны, месяцы, декады, и т. д.) для каждого участка. Основные процессы, подлежащие оценке - это работа водохранилищ, распределение водных ресурсов на участках бассейна, расходы в расчетных створах для выделенных интервалов времени, определение заданных показателей вероятности превышения гидрологических величин. На основе последних и выполняются статистические надежностные оценки поверхностного источника водоснабжения.

С учетом полученных данных о фактических колебаниях расходов и уровней в створе водозабора необходима детализация гидравлических показателей на выделенном участке с использованием физической гидравлической модели, экспериментальное обоснование компоновочной схемы и параметров регулирующих сооружений для обеспечения надежности источника водоснабжения.

В соответствии с изученными вопросами сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе определены направления исследований в рамках реализации цели и задач на примере водохозяйственного комплекса среднего течения р. Белой в Республике Башкортостан: натурные исследования; оценка современной водохозяйственной обстановки в бассейне и надежностных показателей для расходов и уровней в створах размещения водозаборных сооружений ; проведение гидравлических исследований на пространственной физической модели для выделенного участка размещения водозаборов в целях разработки инженерных мероприятий для повышения надежности рассматриваемого источника водоснабжения.

В натурные исследования входили геоморфологическое описание участков реки, отбор проб донных отложений на участках перекатов, анализ условий работы береговых водозаборов в современных условиях. Установлены и описаны факторы, определяющие современную тенденцию русловых деформаций в водотоках, в результате чего происходит нарушение нормальной эксплуатации водозаборных сооружений.

Натурными исследованиями условий формирования русловых процессов и гидравлических режимов на участке р. Белой от створа Юмагузинского гидроузла до водозаборов г. Уфы установлены наиболее неблагоприятные участки реки для водоснабжения ТЭЦ-2, нефтеперерабатывающий завод», , -Уфимский нефтеперерабатывающий завод», , выполнена оценка закономерностей изменения уровневого режима в районах расположения береговых насосных станций.

Для оценки водохозяйственной обстановки в бассейне разработана структура унифицированного численного алгоритма моделирования водохозяйственного баланса в зависимости от водности, режимов регулирования стока, водопотребления, водоотведения, деформации стока на расчетных участках, потерь воды из водохранилищ. Разработана типовая модульная структура водохозяйственного комплекса и различные схемы сопряжения ее элементов, информационное обеспечение различных элементов и подсистем водохозяйственной модели бассейна, схема организации численных алгоритмов для решения задач: оценка водохозяйственной обстановки на произвольных участках речного бассейна; моделирование состояния и режимов работы водохранилищ; оценка обеспеченных расходов и уровней в расчетных створах. Предложенная схема и типовые алгоритмы использованы для генерации модели ВХБ верхнего и среднего течения р. Белой, расчетная схема которой укрупненно представлена на рисунке 2.

2

Гидравлические исследования проводились в гидротехнической лаборатории НГМА. Схема специально разработанной пространственной модели участка р. Белой в районе расположения насосных станций НС-1, НС-2, НС-3 представлена на рисунке 3. Моделирование рассматриваемого участка р. Белой и гидравлические исследования выполнялись в соответствии с рекомендациями, изложенными в работах , , и др.

Рис. 3. Гидравлическая пространственная модель участка р. Белой в районе расположения НС: 1 – НС-1, НС-2, НС-3; 2 – струенаправляющие шпоры;

3 – подпорное сооружение; 4 – оградительная дамба

В третьей главе изучены гидрологические и гидравлические условия работы водозаборов , выполнено обоснование комплекса регулирующих инженерных сооружений для повышения надежности рассматриваемого источника водоснабжения и приведены результаты научных исследований.

Статистическая оценка колебаний расходов (а через гидравлические кривые - и уровней) в расчетных створах размещения водозаборов, выполнена расчетным путем на основе методики водохозяйственного баланса по календарному ряду восстановленных гидрологических рядов за период 82 года, что дает репрезентативный (от фр. результат для получения значений обеспеченных расходов и уровней в рассматриваемых створах.

В результате определены лимитирующие периоды и критические характеристики расходов и уровней ГНВ в створах водозаборов, а также их повторяемость в пределах расчетного статистического ряда. Определена кривая обеспеченности уровней ГНВ в створах НС-1, НС-2 и НС-3 в современных условиях. Установлено в частности, что распределение уровней ГНВ не отвечает нормативным требованиям по обеспечению надежности источника водоснабжения. Обеспеченность расчетного уровня ГНВ в створах НС в современных условиях оказалось на уровне 75% вместо установленных нормативных 97% согласно СНиП 2.04.02-84, а современный уровень ГНВ, отвечающий обеспеченности 97% оказался на 35 см ниже расчетного, что можно квалифицировать как отказ источника.

Согласно полученных данных о современном гидрологическом режиме в створе водозаборов обоснован план проведения гидравлических лабораторных исследований на пространственной физической модели для компоновки регулирующих инженерных сооружений в целях обеспечения надежности источника водоснабжения. Целью рассмотренной компоновочной схемы является регулирование гидравлической структуры потока на участке размещения НС для обеспечения: 1) расчетного уровня ГНВ; 2) незаиляемости русла в местах расположения водозаборов; 3) беспрепятственного прохождения на участке ледохода, шугохода и наносов в периоды половодного стока; 4) защиту водозаборных сооружений от попадания водорослей, фитопланктона, мелкого сора и др.

В результате анализа возможных способов применения и конструкций инженерных сооружений на водных объектах, а также целевых исследований на физической модели сформирован комплекс сооружений на участке расположения водозаборов (рис. 4): правобережная оградительная дамба, струенаправляющие шпоры различной длины и сквозности, подпорное сооружение шандорного типа, каждое из которых несет определенное функциональное назначение и дополняет другие. В качестве укрепления берега в районе расположения береговых водозаборных сооружений проводятся конструктивные берегозащитные мероприятия.

Рис. 4. Компоновочная схема инженерных регулирующих сооружений

Исследования по обоснованию размещения и параметров инженерных сооружений на участке размещения НС-1, НС-2 и НС-3, обеспечивающих достижение поставленных целей по регулированию гидравлической структуры потока включали в себя 5 серий опытов. Серия I – исследование структуры потока при устройстве водоподпорного сооружения, ограждающей дамбы и струенаправляющих шпор разной длины. Серия II – исследование структуры потока с тремя первыми сплошными шпорами длиной 40 м в натуре. Серия III – исследование структуры потока со средней шпорой длиной 60 м первые 2 по 40 м. Серия IV – исследование структуры потока при заилении пространства за шпорами серии III наносами и образованием линии берега. Серия V – исследование структуры потока без шпор с оградительной дамбой и водоподпорным сооружением. Угол расположения струенаправляющих шпор по отношению к береговой линии изменялся от 30 до 900 и был принят 450, что позволило сформировать динамическую ось потока, обеспечивающую максимальную транспортирующую способность потока, незаиляемость русла и предотвращение пагубных последствий на coopужениях при прохождении ледохода и шугохода в местах расположения насосных станций. Параметры водоподпорного сооружения определялись из условия обеспечения гарантированных уровней в реке на отметке 138,0 м абс. для обеспечения надежной работы водозаборов в меженный период, но с учетом беспрепятственного прохождения на участке льда и наносов в периоды половодного стока.

Параметры инженерных сооружений для регулирования уровня ГНВ в реке рассчитывались на минимальный расход 95% вероятности превышения в створе расположения водозаборов, согласно расчетного по водохозяйственному балансу расхода р. Белой – 35,6 м3/сек при котором обеспечиваются расчетные уровни воды для надежной работы водозаборов (138,0 м абс.), а также гарантийный суммарный водоотбор предприятия – 3,5 м3/сек из живого тока реки. Исследование гидравлических процессов на участке в период половодья проводилось при расчетном руслоформирующем, обеспеченностью 75%, расходе Q=1000 м­3/с, и максимальном, обеспеченностью 1%, расходе 1700 м­3/с, согласно расчетного ВХБ с учетом правил работы Нугушского и Юмагузинского водохранилищ. Характеристика расчетных максимальных и минимальных уровней ГНВ, подтвержденных статистическими водохозяйственными расчетами на модели ВХБ, до и после осуществления мероприятий приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Расчетные уровни в районе расположения береговых водозаборных сооружений до и после осуществления мероприятий

Характеристика уровня	Максимальные уровни обеспеченностью, %	Минимальные уровни обеспеченностью, %
1	3	5	10	25	50	75	50	75	95	97
Ретроспективные (при создании НС)	144,1	143,5	143,2	143,1	142,4	141,7	141,0	138,4	138,3	138,1	138,0
Незарегулированные (естественные)	143,8	143,4	143,1	142,7	142,0	141,3	140,6	137,9	137,8	137,7	137,0
зарегулированные	142,2	141,9	141,9	141,9	141,9	140,7	140,1	138,2	138,0	137,85	137,65
После проведения предложенных мероприятий	142,2	141,9	141,9	141,9	141,9	140,7	140,1	138,2	138,0	138,0	138,0

После реализации мероприятий на основе физического и численного моделирования установлена надежность обеспечения проектных уровней воды в местах расположения водозаборов по ВП – 99%.

По результатам исследований в схеме функционирования предлагаемого комплекса инженерных мероприятий дополнительно учтен фактор пропуска донного льда и шуги через сооружения в период весеннего половодья за счет регулирования уровня и гидравлической структуры потока. Для исключения навала льда на водоподпорном сооружении на момент подъема паводка, в верхнем бье­фе устроены ледорезы, предотвращающие пагубные последствия на coopужения при прохождении ледохода, а шпоры в плане отвернуты от реки под углом 450. Однако, на принятом объекте исследования столь серьезной проблемы с шугой и ледоходом не отмечено и негативное влияния данных процессов решается эксплуатационными мероприятиями. Эксплуатация водозаборных сооружений показала, что вращающиеся сетки задерживают и извлекают из камер водоприемника шуголедовые образования даже при интенсивном шугоходе, планктон, водоросли, мелкий сор и т. д., прошедшие через сороудерживающие решетки (в том числе и при очистке решеток от шугольда баграми), но при этом сетки вращаются и промываются непрерывно. Для повышения шугоизвлекающей способности вращающиеся сетки предусмотрены с ковшеобразными звеньями.

Предлагаемый комплекс инженерных мероприятий с учетом регулирования уровня на участке размещения водозаборов полностью исключает влияние сгонно-нагонных явлений на работу водозабора за счет поддержания стабильного уровенного режима на участке.

В результате исследований на пространственной физической модели участка режимов работы инженерных сооружений, обеспечивающих необходимую гидравлическую структуру потока (рис. 5), получены гидравлические параметры потока, по численным значениям которых были построены экспериментальные зависимости Vср=f(h, B), (рис. 7), где Vср – средняя скорость на участке м/с; h – глубина потока, м; В – ширина русла, м. Полученные эмпирические зависимости, позволяют определять транспортирующую способность потока в створах водозаборных насосных станций. В зависимости от регулирования плановой и высотной формы речного русла для обеспечения необходимой транспортирующей способности с целью предупреждения завала и продления сроков службы водозаборных сооружений получена необходимая средняя скорость в зоне водозабора, которая значительно превышает среднюю скорость в створе водозабора (рис. 6).

а)

б)

Рис. 5. Эпюры скоростей в створах водозаборов в соответствии с сериями опытов а) створ 4 (НС-1); б) створ 6 (НС-2); в) створ 7 (НС-3).

Приведенные формулы отражают распределение скоростей по ширине потока и иллюстрируется графиком, наглядно показывающим распределение скоростей до устройства струенаправляющих шпор и после. Такое распределение с максимальным смещением динамической оси потока к левому берегу гарантирует смещение наносов к правому берегу, что проверено в результате серии лабораторных экспериментов на физической модели. Практическое значение этой формулы заключается в аппроксимации экспериментальных данных и придании им аналитической формы, что необходимо на стадии проектирования, как неотъемлемая часть параметров и характеристик комплекса регулирующих сооружений, а также последующего мониторинга гидравлических характеристик участка для сопоставления с проектным для условия руслоформирующего попуска из водохранилищ.

Анализируя полученные данные, можно отметить, что самый лучший результат дает комплекс инженерных сооружений, который исследовался в серии III (рис. 7), где первые две шпоры по 40 м, третья 60 м, а четвертая и пятая 36 и 42 м. В этом случае осредненные скорости у НС-1 при расходах Q от 1000 м3/с до 1700 м3/с находились в пределах V=1,42 м/с и V=1,81 м/с соответственно, которые способствуют формированию необходимой структуры водного потока, смещая удельные расходы к вогнутому берегу (к насосным станциям).

Q, м3/с

Vср, м/с

Рис. 6. Средняя скорость водного потока в створе расположения НС-1после проведения инженерных мероприятий

Средняя скорость потока в зоне водозабора после проведения мероприятий

Средняя скорость потока в створе береговых водозаборных сооружений

Рис. 7. Распределение скоростей водного потока по ширине русла при руслоформирующем расходе (Q = 1000 м3/с) в створе расположения НС-1

Характер распределения скоростей при устройстве комплекса регулирующих сооружений

Характер распределения скоростей в естественном русле

Исследования, выполненные на пространственной модели участка р. Белой в районе расположения береговых водозаборов системы водоснабжения дали ряд важных практических решений:

- разработан комплекс регулирующих сооружений (правобережная оградительная дамба длиной 936 м, струенаправляющие шпоры различной длины и сквозности, подпорное сооружение шандорного типа 40 см, берегоукрепление монолитными железобетонными плитами (6 х 1,5 х 0,18 м) с каменной на­броской), который формирует необходимую гидравлическую структуру потока, обеспечивающую защиту водозаборных отверстий НС-1, НС-2 и НС-3 от льда, шуги, наносов и необходимый уровень воды в реке, обеспечивающий напор воды на порогах водозаборных окон при различных расходах воды на заданном участке реки;

- определен характер планового расположения и взаимодействия с речным потоком комплекса регулирующих сооружений на участке р. Белой в районе расположения береговых водозаборных сооружений (НС-1, НС-2 и НС-3);

- выполнена проверка транспортирующей способности потока, обеспечивающего защитную функцию регулирующих сооружений на данном участке р. Белой от заиления участка реки в районе размещения водозаборов.

При минимальном расчетном уровне в реке 138,0 м для обеспечения надежной работы водозаборов, минимальные горизонты воды в створе водозаборов в современных условиях до осуществления мероприятий составляли:

при расходе Q95% = 35,6 м3/с – 137,00 м.; при Q97% = 33,8 м3/с – 136,95 м;

горизонты воды в створе водозаборов после проведения инженерных мероприятий:

при расходе Q95% = 35,6 м3/с - 138,00 м; при Q97% = 33,8 м3/с - 138,00 м.

Уровни при максимальных расчетных расходах воды составили:

при максимальном расходе Q5% = 1700 м3/с - 142,20 м.; при максимальном поверочном расходе Q1% = 1700 м3/с - 142,20 м. абс.

На рисунке 8 приведены фактическая и расчетная после проведения инженерных мероприятия кривые уровней в створах береговых водозаборных сооружений НС-1, НС-2, НС-3.

Рис. 8. Фактическая и расчетная после проведения инженерных мероприятия кривые уровней в створах береговых водозаборных сооружений НС-1,НС-2,НС-3, до проведения мероприятий; после проведения мероприятий

R² = 0,994

На рис.9. приведена статистика отказов источника водоснабжения за период гг.

Рис. 9. Отказы источника водоснабжения за период гг. (после 2008 г. реализованы предложенные мероприятия)

В четвертой главе приводятся рекомендации по проектированию и эксплуатации предложенных инженерных мероприятий, обеспечивающих надежность источника водоснабжения (НС-1, НС-2, НС-3) при различных расходах на расчетном участке р. Белой.

На основе рекомендуемых инженерных мероприятий надежности источника водоснабжения выполнено экономическое обоснование инвестиций на строительство регулирующих сооружении на участке размещения НС-1, НС-2, НС-3. Оценка инвестиционных показателей выполнена методом анализа денежных потоков на жизненном цикле эксплуатации создаваемого комплекса инженерных сооружений.

На основе статистики эксплуатации водозаборов за последние 10 лет определено среднегодовое количество отказов в системе водоснабжения, связанных с катастрофическим снижением уровней воды в местах водозаборов, в результате которых временно прекращалась подача воды на производственные нужды, а также на коммунально-бытовые нужды населения. В результате определены прямые финансовые потери предприятия от недовыпуска продукции (по удельным показателям), а также недопоставок воды коммунальному хозяйству города (согласно отпускному тарифу).

В качестве альтернативного варианта для проведения сравнительного анализа рассматривалось отсутствие перебоев в системе водоснабжения, после реализации предложенных мероприятий, вызванных снижением расчетных уровней воды в реке, обеспечивающих стабильную работу водозаборов. Опыт последних трех лет эксплуатации водозаборов , после реализации предложенных мероприятий подтверждает отсутствие таких перебоев.

Дисконтируемый период окупаемости затрат на строительство составит 4 года. Чистый дисконтированный доход за жизненный цикл 30 лет составит 82,4 млн. рублей при объеме капитальных затрат 44,9 млн. рублей в ценах II квартала 2010 года. Внутренняя норма доходности составила 36%, что в сравнении с принятой в расчетах нормой дисконта
12% определяет достаточный «запас прочности» инвестиционного проекта и его экономическую эффективность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое инженерно решение актуальной научно-технической проблемы повышения надежности поверхностных источников водоснабжения при устойчивой тенденции посадки русла в местах размещения береговых водозаборных сооружений путем обеспечения необходимого уровенного режима и гидравлической структуры потока на участке реки в створах расположения береговых водозаборных сооружений на основе инженерных мероприятий. На основании результатов проведенных натурных и экспериментальных исследований, а также практической реализации можно сделать следующие основные выводы по работе:

1.  На основе результатов комплексных (натурных, лабораторных, численных) исследований состояния русловых процессов и условий работы береговых водозаборных сооружений, на примере среднего течения р. Белой Республики Башкортостан, выявлены основные причины снижения надежности источника водоснабжения, вызванные, как естественными гидрологическими процессами, так и антропогенной деятельностью на водосборной площади. Эти факторы обусловили устойчивую тенденцию понижения уровней воды в створах водозаборов.

2.  Решение проблемы повышения надежности поверхностных источников водоснабжения в современных условиях наблюдаемого явления посадки русла должно осуществляться, прежде всего, за счет инженерных мероприятий на участках размещения водозаборов для устранения отказа источника в неблагоприятных условиях водности и дальнейшей тенденции понижения уровней ГНВ, которые должны устанавливаться на основе системного подхода.

3.  Разработана расчетная схема статистической оценки водохозяйственного баланса, позволяющая автоматизировать расчеты водохозяйственной обстановки и параметров обеспеченного стока на расчетных участках речного бассейна; физическая пространственная модель участка реки в районе размещения водозаборов; реализована серия статистических расчетов (на разработанной модели ВХБ бассейна р. Белой) и натурных (на физической пространственной модели) экспериментов по обоснованию гидролого-водохозяйственных и гидравлических условий, определяющих надежность источника водоснабжения на рассматриваемом участке размещения водозаборов, отвечающих нормативно установленным требованиям.

4.  Результатами численных статистических расчетов на модели ВХБ является выполненная оценка характера гидрологического режима р. Белой в районе водозаборов в современных условиях. Установлен лимитирующий период самого низкого в году речного стока, кривые распределения минимальных расходов воды и уровней горизонта низкой воды (ГНВ). Обеспеченность расчетного (проектного) уровня ГНВ в створах НС равного 138,0 м абс. составила в современных условиях 75% вместо установленного, согласно нормативу СНиП 2.04.02%, что не отвечает требованиям надежности к обеспечиваемому уровню. Также расчетами установлено, что современный уровень ГНВ, отвечающий нормативной обеспеченности 97% на 35 см ниже установленного расчетного.

5.  На основе результатов гидравлических и конструктивных исследований (на пространственной модели М 1:100) определен характер формирования гидравлической структуры речного потока в зависимости от расхода в реке. Предложен и экспериментально обоснован комплекс регулирующих инженерных сооружений, обеспечивающий надежность источника водоснабжения : водоподпорное регулирующее сооружение (высотой 40 см), ниже створа НС-3, пять струенаправляющих шпор различной длины (36-60 м) и сквозности (0-50 %), правобережная оградительная дамба длиной 936 м. В результате мероприятий расчетная обеспеченность нормативного уровня ГНВ для работы водозаборов НС-1, НС-2, НС-3 составила 99%.

6.  Получены экспериментальные зависимости Vср=f(h, B), позволяющие выполнять прогнозные расчеты по определению характера распределения скоростей в русловом потоке при проектировании и эксплуатации береговых водозаборных сооружений. Экспериментально обоснована транспортирующая способность речного потока, обеспечивающего незаиляемость русла в створах береговых водозаборов. Учтены мероприятия по берегоукреплению, защите сооружений от ледохода, шуги, донного льда, планктона, водорослей, мелкого сора и др.

7.  Выполнено инвестиционное обоснование плана реконструкции береговых водозаборных сооружений НС-1, НС-2, НС-3 системы водоснабжения . Выполненные расчеты подтверждают экономическую эффективность предложенных мероприятий.

8.  Результаты исследований внедрены в проект по реконструкции береговых водозаборных сооружений НС-1, НС-2, НС-3 системы водоснабжения на р. Белой Республики Башкортостан. Акт внедрения находится в приложении к диссертации.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

Публикации в ведущих рецензируемых научно–технических журналах и изданиях, определенных ВАК РФ по направлению «Строительство»

1. Гаврилюк, С. М. Обеспечение функциональной надежности и экологической безопасности береговых водозаборных сооружений систем водоснабжения промышленных предприятий [Текст] / , , // Проблемы региональной экологии. - М., 2011. №1. С.134-139.

2. Гаврилюк, С. М. Результаты гидравлических исследований участка реки Белой на пространственной модели [Текст] / // Вестник Волгогр. гос. арх.-строит. ун-та; Сер.: Строительство и архитектура. - Волгоград: ВолгГАСУ, 2010. - Вып. 20(39). С.136-142.

3. Гаврилюк, С. М. Результаты комплексных исследований береговых водозаборных насосных станций систем водоснабжения промышленных предприятий [Текст] / , // Труды Кубанского гос. аграр. ун-та. - Краснодар, 2010. Вып. 1(22). С.195-200.

4. Гаврилюк, С. М. Системный подход в обосновании мероприятий повышения функциональной надежности береговых водозаборных сооружений / , , // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. Краснодар: КубГАУ, 2011. №65(01). Шифр информрегистра: /0007. Режим доступа: http://ej. *****/2011/01/pdf/05.pdf.

Патенты

5. Гаврилюк, С. М. заявка на полезную модель №/17 от 01.01.2001г. Комплекс устройств для обеспечения надежной работы береговых водозаборных сооружений / , , .

Отраслевые издания и материалы конференций

6. Гаврилюк, С. М. Влияние тенденции посадки русла на надежность работы береговых водозаборных сооружений находящихся в длительной эксплуатации [Текст] / , , // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации [Электронный ресурс]. Новочеркасск: РосНИИПМ, 2011. № 2(02). Режим доступа: http://www. *****/dl_files/udb_files/udb13-rec33-field6.pdf.

7. Гаврилюк, С. М. Обоснование мероприятий повышения функциональной надежности береговых водозаборных сооружений на основе системного подхода [Текст] / , , // Водоочистка, Водоподготовка, Водоснабжение. - М., 2011. №4/40 С.48-52.

8. Гаврилюк, С. М. Повышение надежности систем водоснабжения промышленных предприятий на основе системного подхода [Текст] / , , // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб. ст. ФГНУ «РосНИИПМ». Новочеркасск: , 2010. Вып. 44. C.173-179.

9. Гаврилюк, С. М. Влияние комплексных мероприятий по повышению функциональной надежности систем водоснабжения промышленных предприятий на развитие бассейновой геосистемы [Текст] / , // Технологии и средства механизации в АПК: сб. науч. тр. сотр. фак-та механизации / Новочерк. гос. мелиор. акад. Новочеркасск: Лик, 2009. C.157-162.

10. Гаврилюк, С. М. Результаты комплексных исследований береговых водозаборных насосных станций систем водоснабжения промышленных предприятий [Текст] / , // Проблемы мелиорации земель и воспроизводства почвенного плодородия: материалы 2-й междунар. науч.-практ. конф. (14-16 октября 2009 г., г. Краснодар) / Кубанский гос. аграр. ун-т. Краснодар: ЭДВИ, 2009. С.39-51.

11. Гаврилюк, С. М. Безопасность экологически устойчивого развития водоснабжения [Текст] / , // Чрезвычайные ситуации: промышленная и экологическая безопасность / Кубанский социально-экон. ин-т. Краснодар, 2009. С.54-59.

12. Гаврилюк, С. М. Показатели региональной гидросистемы и факторы, влияющие на ее состояние // Машины и оборудование природообустройства и защиты окружающей среды: сб. ст. студ. и молодых учен. [Текст] / , // Новочерк. гос. мелиор. акад.; редкол.: (отв. ред.). Новочеркасск, 2008. Т4. С.75-81.

13. Гаврилюк, С. М. Современная водохозяйственная обстановка в среднем течении реки Белой (от створа Юмагузинского водохранилища до г. Стерлитамак) [Текст] / , // Мелиорация и водное хозяйство: материалы всерос. науч.-практ. конф. (25-26 сентября. 2008 г., г. Новочеркасск) / Новочерк. гос. мелиор. академия. Новочеркасск: Лик, 2008. Вып.6. С.145-158.

14. Гаврилюк, С. М. Гидравлическое моделирование участка р. Белой в районе расположения береговых насосных станций водоснабжения г. Салават Республики Башкортостан [Текст] / , // Мелиорация и водное хозяйство: материалы всерос. науч.-практ. конф. (25-26 сентября. 2008г., г. Новочеркасск) / Новочерк. гос. мелиор. академия. Новочеркасск: Лик, 2008. Вып.6. С.140-145.

ГАВРИЛЮК СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

ПОВЫШЕНИе НАДЕЖНОСТИ поверхностных

источников водоснабжения при устойчивой

тенденции посадки русла в местах размещения береговых водозаборных сооружений

05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

05.23.16 Гидравлика и инженерная гидрология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Подписано в печать 12.10.2011г.

Формат 60 х 84 1/16.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 000.

Отпечатано в типографии НГМА

11