Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Инженерно-биологическое обоснование и разработка эффективных конструкций рыбозащитных устройств для водозаборов малой производительности

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Эрслер, Александр Львович, Новочеркасск

" / /

ЭРСЛЕР АЛЕКСАНДР ЛЬВОВИЧ

ИНЖЕНЕРНО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ РЫБОЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ВОДОЗАБОРОВ МАЛОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

Специальность: 11.00.11 - «Охрана и рациональное использование природных ресурсов» 05.23.07 - «Гидротехническое и мелиоративное строительство»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук в виде научного доклада

Новочеркасск - 1999

На правах рукописи

Работа выполнена в Новочеркасской государственной мелиоративн академии (HTMА).

Научный консультант: кандидат технических наук, профессор П.А. Михеев.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор В.JI. Бондаренко; кандидат технических наук, доцент Г.С. Муравенко.

Ведущая органи" научнс ОАО F

Зашита состой гея "! ционного совета К ¡20.76.С ной академии по адресу: | Пушкинская, 111, ауд. 236| С научным докладом S Просим Ваш отзыв i

»»ОС

ятия, направить yqei^^^g

Ученый секретарь диссертац совета, к.с.-х.н., профессор

Г.Н. Мартыненко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы определяется огромной антропогенной нагрузкой на внутренние водоемы страны, вызванной водоотбором для различных хозяйственных и производственных целей, а также тем ущербом, который наносится ихтиофауне и рыбному хозяйству в целом. В настоящее время на рыбохозяйст-венных водоемах России эксплуатируется около 9,6 тысяч водозаборов, из которых более половины не имеют экологически эффективных и надежных средств защиты рыб. Существующие конструкции рыбозащитных сооружений (РЗС) и устройств (РЗУ) во многом физически и морально устарели или требуют реконструкции и ремонта. О масштабах ущерба, наносимого рыбному хозяйству от работы водозаборов в целом по РФ можно судить хотя бы по тому, что ежегодные потери рыбной продукции эквивалентны общегодовому вылову из таких водохранилищ как Цимлянское (100 ООО ц) и Куйбышевское (40 ООО ц) вместе взятых.

Одним из путей решения проблемы является создание конструкций рыбозащитных устройств, отличающихся низкой материале- и энергоемкостью на базе современных композитных материалов, обеспечивающих высокую экологическую эффективность, техническую надежность и длительность эксплуатации.

Исследованиями и обоснованием биологических требований по организации защиты рыб от попадания в водозаборы занимались В.Н. Беляев, Л.С. Берг, Я.И. Гинзбург, А.Н. Державин, Н.Г. Дегтярева, В.И. Жидовинов, Н.И. Кожин, В.И. Мейснер, Б.П. Мантейфель, Л.М. Нуссенбаум, Д.С. Павлов, A.M. Пахоруков, А.Г. Поддубный, М.И. Тихий и др. "

Разработкой конструкций рыбозащитных устройств занимались А.Ш. Ба-рекян, A.M. Большов, B.JT. Бондаренко, А.Е. Ващинников, В.Н. Киселев-Цецхладзе, А.И. Лупандин, Б.С. Малеванчик, П.А. Михеев, A.M. Мотинов, Г.С. Муравенко, И.В. Никоноров, В.В. Петрашкевич, Г.Н., Г.Я. Сегаль, Л.П. Филь-чагов, Г.К. Харчев, A.C. Цыпляев, В.Н. Шкура, и др.

Настоящая работа является результатом обобщения многолетних исследований автора, выполняемых в соответствии с координационным планом ГКНТ СССР на 1981-1986 гг. по проблеме 0.85.01 задание 06.01, на 1987-1990 гг. по проблеме "Рыбозащита", Республиканской (федеральной) целевой научно-технической программой на 1992-95 г.г., Федеральной программой развития рыбного хозяйства РФ до 2000 года "Рыба", отраслевыми планами НИР Мин-рыбхозов СССР и России, комитета РФ по рыболовству.

Целью диссертации является разработка инженерно-биологического обоснования рыбозащиты на водозаборах и создание на его основе новых экологически эффективных конструкций рыбозащитных устройств водозаборов из водотоков и водоемов производительностью до 0,5 куб. м/с.

Задачи работы:

1. Оценка состояния и разработка инженерно-биологических основ защиты рыб от попадания в водозаборные сооружения.

2. Разработка автоматизированной системы сбора, обработки, хранения и использования рыбоохранной информации.

3. Разработка методики оценки экологической эффективности конструкций рыбозащитных устройств.

4. Оценка экологической эффективности различных конструкций рыбозащитных устройств.

5. Разработка и исследование эффективных конструкций рыбозащитных устройств производительностью до 0,5 м3/с.

Научную новизну составляют:

1. Автоматизированная система мониторинга рыбоохранной информации на территории РФ, включая сведения о количестве и характеристиках водозаборов, состоянии и использовании средств рыбозащиты.

2. Методика определения экологической эффективности рыбозащитных устройств различных типов.

3. Разработанные на уровне изобретений система водоснабжения, способ забора воды и усовершенствованные конструкции существующих типов РЗУ.

4. Экологически обоснованные, защищенные авторскими свидетельствами, разработанные и исследованные конструкции РЗУ для водозаборов производительностью до 0,5 м'/с.

Практическую ценность работы составляют:

1. Данные о действующих на территории РФ водозаборах их производительности и оснащенности средствами защиты молоди рыб, ущербе, наносимом рыбному хозяйству в натуральном и денежном выражении.

2. Показатели рыбозащитной эффективности 13 наиболее распространенных типов рыбозащитных устройств, установленные для молоди рыб различного размерно-видового состава с учетом и без учета ее выживаемости после контакта с РЗУ.

3. Экологически обоснованные методики и рекомендации по проектированию изготовлению и эксплуатации рыбозащитных барабанов производительностью до 0,5 м3/с.

Основные положения работы реализованы:

1. В «Инструкции о порядке осуществления контроля за эффективностью рыбозащитных устройств и проведения наблюдений за гибелью рыб на водозаборных сооружениях» (утверждена Комитетом РФ по рыболовству, М. 1995 г.).

2. Во «Временных рекомендациях по эксплуатации экспериментальных рыбозащитных барабанов" (Елгава, 1983 г.).

3. В типовых проектах РЗУ типа БЛР-500 (ГосНИИ «Водполимер», 1984 г.) и РЗУ типа АЯБ-4 (ГосНИИ «Водполимер», 1993 г.).

4. В действующей автоматизированной системе обработки рыбоохранной информации (АБСЖи).

5. В 9 действующих конструкциях рыбозащитных устройств на водозаборах Москвы и Московской области.

Личный вклад авторал разработку инженерно-биологического обоснования рыбозащитных устройств, конструкций РЗУ, исследования, расчет и оценку экологической эффективности устройств определяется тем, что им в течение 30-л чних исследований различных конструкций РЗУ установлены об-

шис закономерности взаимодействия молоди рыб с элементами устройств, определены их особенности, достоинства и недостатки, на основе которых предложена методология разработки новых и совершенствования существующих типов РЗУ. В опубликованных в соавторстве работах автору принадлежат основные идеи методологии оценки рыбозащитной эффективности устройств, разработки конструкций РЗУ, непосредственное участие в экспериментальных исследованиях, результаты которых обобщены и использованы в нормативных документах Роскомрыболовства. Лабораторные исследования, разработка экспериментальных установок, а также теоретические расчеты совместно с авто-род» выполняли сотрудники НГМА и ГосНИИ «Водполимер».

В проведении натурных и лабораторных исследований принимали участие В.Г. Матейкович, А.Н. Муциньш, Г.Я. Сегаль, Р.Я. Стуране, Вл.Н. Шкура, В.К. Юдин и ряд других сотрудников, которым автор выражает свою призна-.•льность за их помощь в работе.

Апробация работы. Основные положения научных разработок неоднократно обсуждались и одобрены на Всесоюзных координационных совещаниях по проблемам рыбозащиты Новочеркасск, 1984 г., Астрахань, 1986 г., 1990 г., Рига, 1991 г.; Всесоюзной конференции "Полимерные материалы и научно-технический прогресс в мелиорации и водном хозяйстве", Елгава, 1986 г.; школе передового опыта "РЗУ гидротехнических объектов", Волгоград, 1986 г.; семинарах органов рыбоохраны по контролю за работой водозаборов, Москва, оДНХ 1988, 1990 гг.; заседаниях межведомственной Ихтиологической комиссии, 1987-97 гг.; научно-технических конференциях НГМА, 1995 - 98 гг.,

Публикации. По результатам исследований опубликовано около 50 работ включая статьи, тезисы, научные отчеты, технические и типовые инструкции, рекомендации, а также 9 авторских свидетельств и патентов на изобретения. Материалы диссертации включены в типовые проекты РЗУ, нормативные документы Роскомрыболовства, используются в учебном процессе, в лекциях на практических занятиях, а также при выполнении студентами дипломны проектов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. ИНЖЕНЕРНО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЫБОЗАЩИТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

1.1 Оценка общего состояния защиты молоди рыб от попадания в водозаборные сооружения

К настоящему времени на территории России действует около 9,6 тысяч водозаборных сооружений различного назначения и производительности, осуществляющих забор воды из важных в рыбохозяйственном отношении водных источников. Несмотря на спад водопотребления, за последние годы, объем изъятия поверхностных водных ресурсов на различные нужды в 1998 году составил 75 км3, что оказывает значительное влияние на экосистему и, прежде всего на ихтиофауну водных объектов. Существенный ущерб рыбному хозяйству страны наносится от работы водозаборов малой производительности. Так по нашим данным из более 400 водозаборов подведомственных Кубанрыбводу 66% имеют производительность до 0,5 м3/с, а по отдельным бассейновым управлениям этот показатель еще выше: Средневолжрыбвод - 83%; Нижневол-жрыбвод - 89%.

Необходимость оборудования водозаборов надежными, простыми и эффективными средствами рыбозащиты не вызывает сомнений. Между тем по данным 1998 г. из 9595 учтенных водозаборов общей производительностью 8919 м3/с не имеют средств рыбозащиты 549, оборудованы «примитивными» рыбозащитными устройствами 3367 и «специальными» РЗУ - 5679 водозаборов.

В целях сбора, хранения и обобщения данных о состоянии проблемы защиты молоди рыб от попадания в водозаборы с непосредственным участием автора /7,11/ разработана автоматизированная система обработки рыбоохран-ной информации (АБОГШ), которая широко используется в практике проектирования и эксплуатации РЗУ и при контроле состояния охраны рыб при водозаборе. Вся собираемая и систематизируемая информация о состоянии защиты

рыб при водозаборе накапливается и хранится в банке данных (БД) системы (рис. 1).

Структурная схема АБСЖи

Рис. 1

В банке данных системы собраны и хранятся сведения о водозаборных сооружениях на рыбохозяйственных водоемах; данные о количестве взятых на учет водозаборов и их общая производительность; число водозаборов, оборудованных РЗУ и их общая производительность, в том числе отдельно по водозаборам оборудованным «специальными» и «примитивными» РЗУ; количество водозаборов, не оборудованных РЗУ и их производительность и др. Кроме того, в БД имеются сведения о состоянии выполнения графика оборудования водозаборов «специальными» РЗУ и графика реконструкции неэффективных РЗУ, а также сведения о контроле над эксплуатацией водозаборных сооружений на рыбохозяйственных водоемах, представленных и взысканных исках за ущерб, нанесенный рыбным запасам.

В качестве примера на рис. 2 приведены сведения БД о количестве и производительности ряда обследованных, в том числе с участием автора, водоза-

9 •■ тсстт,*®

, 1-<асудАРстШтшъ

боров, размерах ущерба от их работы в натуральном (млн. шт. неясном (тыс. руб. в ценах 1998 г.) выражении.

Данные о размерах ущерба от работы водозаборов 287.151

760248

418

ЙЦя

Ш

42,7

1996 г

1997 г.

1998 г

Ц - количество обследованных водозаборов, шт.; И - производительность водозаборов, м3/с; □ - ущерб в натуральном выражении, млн. шт. молоди рыб; О - ущерб в денежном выражении, тыс. руб. Рис. 2

1.2 Методика оценки эффективности рыбозащитных сооружений

Оценка экологической эффективности РЗС является одним из важнейших вопросов в организации системы охраны и воспроизводства рыбных запасов внутренних водоемов страны. Многолетние наблюдения, исследования и эксперименты в ходе полевых экспедиций, а также экспертные оценки проектов водозаборных сооружений и рыбозащитных устройств в России и странах СНГ, проведенные с участием автора /1, 3, 5, 6Д5/, позволили выработать общий методологический подход и критерии оценки экологической эффективности различных конструкций РЗС.

В соответствии с разработанной методикой основным показателем оценки работы РЗС является рыбозащитная эффективность (Э) - это процент отве-

денных в безопасные участки водоема с сохранением жизнеспособности рыб данного вида и размера от общего числа тех же рыб, попадающих в водозаборные сооружения при отсутствии РЗС.

В зависимости от стадии реализации РЗС различают: потенциальную (Эп), для сооружений в стадии проекта, и фактическую (Эф), для работающих сооружений, рыбозащитную эффективность, которая определяется для каждого вида и размерного ряда защищаемых рыб.

Расчет производится по формуле

Э =^0,00%, (1)

ы-м

где N - общее число рыб данного вида и размерной группы, попадающих в водозаборное сооружение при отсутствии РЗС за период Т;

М - исходное число нежизнеспособных рыб из числа М, потерявших жизнеспособность по причинам не связанным с работой РЗС;

М0 - общее число нежизнеспособных рыб данного вида и размерной группы, попавших на все участки их возможного распределения в рабочей зоне РЗС за тот же период Т.

Число рыб, попадающих в водозаборное сооружение N, может определяться двумя способами, при естественных условиях ската и искусственном запуске контрольных рыб по соответствующим методикам.

Величина N рассчитывается по формуле

N = СОТ, (2)

где С - средняя концентрация рыб, экз./м3;

() - расход воды водозаборного сооружения, м'^/с; Т - продолжительность наблюдений, с.

При переменном во времени расходе величина N рассчитывается как сумма определяемых за время работы водозаборного сооруже-

ния при расходах (){, 0.г ,...Qi .

Средняя концентрация рыб определяется по формуле

п

где Сп - концентрация рыб по каждой ихтиологической пробе;

п - число ихтиологических проб. N

(4)

где Nл - число пойманных рыб за одну экспозицию ловушки, шт. <7 = ш - расход воды, проходящий через ловушку, м3/с; ш - площадь входного отверстия ловушки, м2;

V - скорость потока в середине входного сечения ловушки, м/с; I - продолжительность взятия пробы, с.

Скорость потока V определяется с помощью гидрометрической вертушки, закрепленной в центре входного сечения ловушки, установленной в точке взятия пробы.

Предварительный анализ ихтиологических проб осуществляется во время их взятия. Так число М находится одновременно с определением значения N, а число М0 рассчитывается как сумма

Мъ=Мр+Ма+Мв + Мк, (5)

где Мр - число нежизнеспособных рыб в рыбоотводе;

Ма - число нежизнеспособных рыб из числа особей, активно (самостоятельно) вышедших из РЗС;

Мв - число нежизнеспособных рыб, прошедших в водозабор при наличии РЗС;

Мк - число нежизнеспособных рыб, оставшихся на элементах РЗС.

При отсутствии транзитных течений число Ма = М3 — М, где М, -общее число нежизнеспособных рыб, скопившихся перед РЗС за период наблюдений.

Пробы для нахождения чисел Мр,М.3,Мп производятся теми же средствами и способами, как и при нахождении числа N. Число Мк определяется путем периодического осмотра РЗУ и сбора прижатой или застрявшей на сетке и других элементах рыбы.

Дополнительными показателями работоспособности рыбозащитного устройства являются:

N

- коэффициент отведения рыб К т = ——, т.е. степень возможности

ЛГ0

устройства обеспечивать отведение молоди рыб, независимо от их физиологического состояния;

- коэффициент отведения жизнеспособных рыб кот = ——, тоже только для жизнеспособных рыб;

N

- коэффициент задержания рыб К3 = —-, т.е. степень способности уст-

"о

ройства задерживать перед собой всех рыб, независимо от их физиологического состояния;

- коэффициент задержания жизнеспособных рыб к3 = —-, тоже только

для жизнеспособных рыб;

- коэффициент воздействия элементов РЗС на жизнеспособность рыб

I

к = —, характеризующий степень снижения выживаемости рыб после контакта с элементами устройства,

где #0 - общее число рыб, поступающих в РЗС;

№от и N. - число рыб соответственно отведенных рыбоотводом за пределы влияния водозабора и оставшихся в зоне влияния водозабора;

GK - исходное число жизнеспособных рыб, вступающих в контакт с ры-бозащитным устройством;

Gom и G.j - число рыб из числа GK соответственно отведенных за тону влияния водозабора оставшихся в зоне влияния водозабора.

Оценка выживаемости молоди рыб осуществляется по известным методикам.

Рьгбозащитная эффективность является, прежде всего, технологическим и в определенной степени экологическим показателем работы РЗС, для экономической же оценке необходимо определять ущерб, наносимый рыбному хозяйству водозабором.

В соответствии с существующей Инструкцией Роскомрыболовства определяется величина прямого уще