Мягкие конструкции для регулирования качества воды на водных объектах

Бондаренко, Владимир Леонидович

Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему
Мягкие конструкции для регулирования качества воды на водных объектах
ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Мягкие конструкции для регулирования качества воды на водных объектах"

На правах рукописи

Бовдаренко Владимир Леонидович

МЯГКИЕ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ НА ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ

Специальность: 11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург, 1997

Работа выполнена в Российском НИИ комплексного использования и охраны водных ресурсов МишсгерстваприроднькреорювРоазшсхой Федерации. Научные консультанты - доктор технических- наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ, академик АЕН, ЖКА, АВН А.М.Черкяеа

- доктор технических наук, профессор, академик МАНЭБ, член-корреспондент РАВН

(

В.А.Волосухин

Официальные - доктор технических наук, профессор, за-

оппоненты служенный деятель науки и техники РФ,

академик А АО Ю.П.Поляков

- доктор технических наук , профессор В.Г.Зотеев

- доктор- технических наук, член-корреспондент ЖКА А.Н.Попов

Ведущее предприятие: Акционерное общество открытого типа Московский областной проектно-изыскательский институт "Гидропроект" (АООТ институт "Мособлгидропроект")

Защита состоится . 1997 г. в час, на заседа-

нии диссертационного Совета Д.099.01.01 при Российском Научно-исследовательском институте комплексного использования и охраны водных ресурсов (РосНИИВХ) по адресу: г.Екатеринбург, ул.Мира, 23

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РосНИИВХ по адресу: 620049 г.Екатеринбург, ул.Мира, 23

Автореферат разослан " т2* " О Ц 1997 г. Отзывы на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620049, г.Екатеринбург, ул.Мира, 23, РосНИИВХ.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д.099.01.01. канд.техн.наук, с.н.с. (Ю.С.Рыбаков.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Значение воды в жизнеобеспечении и ее необычайно широкое использование в хозяйственной деятельности как сырья, растворителя, теплоносителя, транспортирующей среды сопровождается увеличением объемов отбора водных ресурсов и массы сбрасываемых загрязняющих веществ антропогенного происхождения, что определяет охрану и рациональное использование водных ресурсов как важнейшую инженерно-экологическую проблему, связанную с пересмотром технологий воспроизводства и водопользования, исходя из экологических требований.

Экосистемный подход к водным объектам должен предусматривать комплекс первоочередных мероприятий, направленных на воспроизводство требуемых технологических и экологических расходов, поддержания сбалансированности антропогенной нагрузки на водоочистки.

Поддержание сбалансированности антропогенной нагрузки с непрерывно протекающими гидрологическими, гидрохимическими и гидробиологическими процессами жизнедеятельности на водных объектах выдвигает ряд важнейших водно-экологических проблем, требующих комплексных исследований по разработке водоохранных технологически х схем с использованием экологически приемлемых конструктивных решений. -

Современный период развития водного хозяйства характеризуется использованием различных типов конструкций гидротехнических сооружений, выполняемых из традиционных материалов (камень, бетон, металл, дерево и т.п.). Такие конструкции требуют значительных ресурсных затрат при строительстве и эксплуатации, не обладают мобильностью, имеют низкую функциональную эффективность в процессах регулирования качества воды на водных объектах .

Отечественный и зарубежный опыт создания новых и совершенствования существующих гидротехнических конструкций и сооружений, с тенденцией уменьшения удельных ресурсных затрат на их строительство и эксплуатацию показывает, что наиболее перспективным является направление, связанное с использованием синтетических тканей в качестве основного конструкционного материала.

Накопленный опыт применения мягких конструкций (МК) в области водного хозяйства в различных регионах РФ позволил установить следующее:

- конструктивно-функциональные особенности МК позволяют создавать наиболее совершенные водоохранные технологические схемы для водных объектов;

- отсутствие работ, научно обосновывающих конструкторские, теоретические, экспериментальные исследования МК по регулированию качества воды на водных объектах.

В процессе углубления представлений о технологии регулирования качества воды на водных объектах с использованием МК возник класс задач по созданию новых и совершенствованию базовых конструктивных решений, связанных с повышением функциональной надежности работы сооружений в водоохранных технологических схемах. В связи с этим возникла необходимость проведения комплексных исследований, направленных на:

- разработку теоретико-методических основ синтеза по созданию новых и совершенствованию базовых МК;

- обоснование пути автоматизированного проектирования МК в составе водоохранных технологических схем;

- разработку теоретических основ расчета, имитационных математических моделей моделирования на ЭВМ при воздействии статических и динамических разгрузок;

- обоснование параметров и режимов работы МК в зависимости от решаемых водоохранных задач.

Настоящая диссертационная работа была выполнена в соответствии с важнейшими научно-исследовательскими программами:

- координационного плана ГКНТ СМ СССР (1976-1980 г.г. - по заданию 08.04 проблемы 0.52.02) 0.52.08.04 "Разработать и внедрить облегченные гидротехнические сооружения из прорезиненных тканей и полимерных материалов";

- отраслевого плана Комитета Российской Федерации по водному хозяйству (1990-1995 г.г. - по программе "Вода России" ). Задание П.2 "Методы и технические средства регулирования качества воды водоисточников". Этап Б.34 Н "Разработать водоохранные технологии по комплексному использованию водных ресурсов на базе мягких гидротехнических сооружений".

В ходе проведения исследований выявилась необходимость в разработке водоохранных технологических схем по регулированию качества воды на водных объектах, в обобщении результатов разносторонних, экспериментальных и натурных исследований, с целью разработки практических рекомендаций по применению МК при регулировании качества воды на водных объектах.

Целью работы является разработка научно-методических основ создания и применения МК в водоохранных технологических схемах по регулированию, управлению, восстановлению качества воды и защиты от катастрофических загрязнений водных объектов при чрезвычайных ситуациях.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- разработка теоретико-методических основ синтеза новых и со-вершенствованшо базовых МК;

- обоснование пути автоматизированного проектирования МК в составе водоохранных технологических схем;

- разработку теоретических основ расчета, имитационных математических моделей моделирования на ЭВМ при воздействии статических и динамических нагрузок;

- экспериментальное обоснование параметров и режимов работы МК в зависимости от решаемых водоохранных задач с разработкой практических рекомендаций по применению МК в водоохранных технологических схемах.

Предметом исследования являются создание экологически приемлемых новых и совершенствование существующих конструктивных решений, разработка теоретических основ расчета с обоснованием параметров и режимов работы МК в технологических схемах регулирования качества воды на водных объектах.

Объектом исследования являются водные объекты и гидротехнические сооружения технологических схем регулирования качества воды.

Методы исследований. Работа была выполнена путем проведения комплексных конструкторских, теоретических, лабораторных и натурных исследований в течении 1972 - 1996 г.г.

Задачи по разработке теоретических основ конструирования решались путем синтеза новых и существующих конструктивных решений с использованием разработанных и имеющихся эвристических приемов.

Теоретическая часть задач решалась аналитическими и численными методами, а также математическим моделированием процессов работы МК при статических и динамических нагрузках на ПЭВМ типа IBM или совместимых с ней.

При проведении численных экспериментов на имитационных математических моделях использовалась теория планирования эксперимен-

го». Проверка математических моделей производилась при помощи многочисленные лабораторных н натурных -экспериментов.

Экспериментальные исследования МК производились в лабораторных условиях на плоских и пространственных гидравлических установках с моделями различных масштабов. Исследования проводились на метрологически аттестованных установках и машинах. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась с помощью методов математической статистики на ПЭВМ по разработанным прикладным программам.

Научная новизна работы:

- разработана методология и получено 25 новых эвристических приемов по созданию новых и совершенствованию базовых МК для водоохранных технологических схем:

- разработан новый тип МК - мягкие наплавные конструкции;

- разработаны научные основы расчета одноооснонапряженных мягких оболочек, находящихся в потоке воды;

- впервые разработана методика расчета мягких струераспредели-тельных сооружений;

- впервые разработана методика оптимизации параметров МК водоохранных сооружений на заданный год эксплуатации;

- впервые разработана имитационная математическая модель взаимодействия МНК с волновым потоком, позволяющая вводить различные типы тканевых материалов, их физико-механические характеристики. различные геометрические параметры подвижных экранов и фиксирующих связей;

- впервые разработана методика прогноза теплового режима на водном объекте при использовании МНК:

- впервые обосновано 10 базовых МК водоохранных сооружений, обладающих конструктивной способностью быть прототипом в эволюционном процессе их совершенствования;

- впервые обоснованы геометрические, гидравлические и физико-механические параметры базовых МК водоохранных технологических схем.

Конструктивную новизну результатов исследований диссертационной работы подтверждают 33 патента и авторских свидетельства на изобретения.

Автором защищаются следующие научные положения:

1. Теоретико-методические основы синтеза экологически приемлемых новых и совершенствования базовых МК, используемых в водоохранных технологических схемах.

2. Методы научного обоснования геометрических, гидравлических, физико-механических параметров МК в условиях статических, динамических нагрузок при различных режимах работы в водоохранных технологических схемах.

3. Принципы эклогической приемлемости МК в водоохранных технологических схемах регулирования качества воды на водных объектах.

Практическая значимость. Для использования результатов работы в области водного хозяйства автором разработаны научно обоснованные указания, рекомендации, методики, прикладные программы для ЭВМ. Пять наименований нормативно-методических документов, утвержденных научно-техническими советами проектных институтов, облводхозов, учеными советами головных научно-исследовательских институтов.

В целях широкого использования результатов исследований в практике проектирования были разработаны номограммы, графики, регрессионные зависимости по определению основных параметров МК водоохранных сооружений. На заводе-изготовителе (Уфимский завод РТИ)

разраоотана техническая документация, позволяющая выполнять серийное изготовление МК для водоохранных технологических схем.

Ценность для науки и; практики полученных результатов диссертационной работы подтверждается широким их использованием в водном хозяйстве.

Личный вклад. Постановка цели, задач и вопросов исследований, выбор путей их теоретического, конструктивного и экспериментального решения, анализ результатов исследовании, итоговые выводы и предложения в диссертационной работе выполнены лично автором.

В проведения экспериментальных и натурных исследований МК водоподпорных и наплавных сооружений принимали участие сотрудники ЮжНИИГиМа, НИМИ. Башкирского СХИ и Башкирского филиала РосНИИВХ под руководством автора.

В реализации теоретических и конструкторских разработок принимали участие сотрудники Уфимского завода РТИ им.М.В.Фрунзе Ю.Г.Анцигин. Г.Л.Червяков. А.М.Охотников.

При постановке ряда задач, рассмотренных в настоящей диссертационной работе, автор получил ценные советы заслуженного деятеля науки и техники РФ, член-корреспондента АЕН, д.т.н., проф. А.М.Черняева; д.т.н., проф. А.Н.Попова; доктора географических наук, проф. И.С.Шахова; заслуженного деятеля науки и техники РФ, д.т.н., проф. Н.П.Розанова; заслуженного строителя РФ, к.т.н., проф. А.Л.Можевитинова.

Реализация результатов работы. В период с 1974 по 1996 г.г. результаты внедрения исследований автора диссертации подробно отображены в актах, составленных в соответствии с установленной формой и помещенных в приложении к диссертационной работе. Экономический эффект от внедрения с 1974 по ¡996 г.г. в ЭО проектах (разработчики Тат-гипроводхоз. Башгипроводхоз. Ростовское отделение ТЭП, ЮжУкрги-

проводхоз, Оренбургский филиал Росгипроводхоз, Мособлгидропроект и др.) МК водоподпорных плотин и наплавных водозаборных, струерас-пределительных и струенаправляющих сооружений, методик расчета, рекомендаций по их строительству и эксплуатации достиг более 50 млрд.руб, из которых доля, приходящаяся на научно-исследовательскую организацию, составляет свыше 50 %. Начиная с 1970 года на Уфимском заводе РТИ автором диссертационной работы внедрены все новые конструктивные разработки МК водоподпорных плотин для технологических схем мелиорации малых рек, МК наплавных сооружений для водоохранных технологических схем: систем технического водоснабжения Ставропольской ГРЭС, Конаковской ГРЭС, Смоленской АЭС, Явкинской оросительной системы Николаевской области Украины, Черноярковской рисовой оросительной системы Краснодарского края и др.

Разработанные автором методики расчета МК водоохранных плотин, наплавных водозаборных, струераспределительных, струенаправляющих сооружений, по локализации аварийных сбросов нефтепродуктов в водный объект, использованы при разработке технической документации на их изготовление, проектировании и составлении нормативно-методической документации по их использованию в водном хозяйстве.

За разработку и внедрение МК в водное хозяйство автор награжден двумя серебряными медалями ВДНХ СССР и дипломом лауреата ВДНХ СССР.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были неоднократно обсуждены и одобрены: на ежегодных региональных научно-технических конференциях по мягким оболочкам, проведенных по инициативе Северо-Кавказского научного центра высшей школы и ЮжНИИГиМа (Новочеркасск, 1976; Краснодар 1990); на Всесоюзной

конференции "Применение оболочечных конструкций ГТС в водохозяйственном строительстве " (Краснодар, 1980); на Всесоюзной конференции "Проблемы экологии и мягкие оболочки" (Севастополь, 1990); на Всесоюзной конференции по мягким оболочкам в горном деле (Днепропетровск, ¡990); на ежегодных общероссийских научно-практических конференциях по водохозяйственным проблемам (г.Екатеринбург, 1990-1996); ученых советах НИМИ, ЮжНИИГиМа, РосНИИВХ, ИППЭиП, НТС Минводхоза РСФСР, Минводхозов Татарской АССР, Башкирской АССР, Министерства Чрезвычайных ситуаций и экологической безопасности РБ, Вельского БВУ, ГТГ'Башводомелиора-ция" и др.

Публикации. Основные научные и практические достижения, выполненные в рамках рассматриваемой работы, опубликованы в 65 научных работах. Автором получено 33 патента и авторских свидетельств на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена в шести главах на 291 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц, 81 рисунок, 2 приложения. Список использованных источников включает 310 наименований. Общий обьем работы 239 страниц.

Содержание работы.

Во введении раскрывается актуальность проблемы, цели и задачи диссертационной работы, обосновывается необходимость разработки научно-методологических основ создания и применения МК в водоохранных технологических схемах регулирования качества воды на водных объектах.

В первой главе диссертационной работы рассмотрены основные аспекты проблемы регулирования, управления качества воды на водных объектах.

Концепция рационального использования водных ресурсов предусматривает экосистемный подход, который позволяет рассматривать водный объект совместно с водосборной территорией, воздушным пространством над ней, проводимых мероприятий по поддержанию сбалансированности антропогенной нагрузки и окружающей среды как единое целое.

В рамках экосистемного подхода к водным объектам, дальнейшее удовлетворение качественной водой населения и народного хозяйства с созданием оптимальных условий для функционирования всех отраслей экономики выдвигает ряд проблем, требующих исследований.

Сегодняшнее состояние решения водноэкологических проблем по регулированию, управлению качества воды на водных объектах во многом определялось фундаментальными работами А.М.Черняева, в которых даны основные концептуальные принципы решения водохозяйственных проблем.

В разработку теоретических и прикладных вопросов регулирования и управления качества воды на водных объектах большой вклад внесли работы Черняева A.M., Шахова И.С., Авакяна А.Б., Полякова Ю.П., Попова А.Н., Макарова И.И., Шеренкова H.A., Фарфоровского B.C., Шкура В.Н. и др.

В развитие теории и практики МК внесли вклад работы Розанова Н.П., Кузнецова Е.С., Друзь Б.И., Хуберяна K.M., Григорьева A.C.. Блинова Б.И., Волосухина В.А., Сергеева Б.И., Ермолова В.З., Магула В.Э. и др.

Из зарубежных авторов следует отметить работы Anwara Н.О., Kalis I., Burg H.I. и др.

Анализ теоретических и прикладных работ, а также опытно-конструкторских разработок по вопросам регулирования и управления

качества воды на водных объектах определил актуальность следующих направлений работы:

- создание новых и "совершенствование базовых конструктивных решений с использованием синтетических тканевых материалов;

- разработку водоохранных технологических схем для водных объектов на оаче МК;

- проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследовании по обоснованию функциональной надежности принятых конструктивных решений.

Во второй главе работы рассмотрены методологические основы синтеза МК для водоохранных технологических схем.

Надежное функционирование отдельного элемента и конструкции в целом обуславливается не их долговечностью, а возможностью периодической обновляемое™ всех слагаемых их конструктивных элементов. Создаваемые таким образом конструктивные решения (КР) МК регулирования качества воды на водных объектах, обладают высокой адаптивной способностью к окружающей среде н могут эволюционно совершенствоваться в направлении повышения их функциональной надежности, экологической и экономической эффективности.

Получившее в последние десятилетия новое конструктивное направление с использованием новых конструкционных материалов - высокопрочных синтетических тканей, вызвало необходимость в разработке теоретических основ решения конструкторско-изобретательских задач (КИЗ) для решения вопросов по регулированию качества воды на водных объектах.

Развитию теоретических осноа конструирования различного рода устройств и сооружений, применяемых в различных отраслях народного хозяйства, способствовали работы А. И.Половинкина,Е.А.Александрова,

З.З.Розенталя, А.Н.Соболева, Б.И.Сергеева, Ю.И.Блинова, А.В.Крошне-ва и др.

Из зарубежных авторов следует отметить работы Ф.Отто, К.Шлейер и др.

Для класса МК регулирования и управления качества воды на водных объектах обобщенный алгоритм КИЗ потребовал определенных исследований в части наполнения его спецификой решаемых задач и принципов функционирования.

Регулирование, управление и восстановление качества воды на водных объектах, их защита от катастрофических загрязнений при чрезвычайных ситуациях, определяют функциональную особенность разрабатываемых конструктивных решений МК, основной принцип действия которых определяется экологической приемлемостью к окружающей среде.

При решении КИЗ в качестве основного принят принцип адаптивной способности к окружающей среде, который реализуется в разрабатываемых МК путем эволюционного процесса совершенствования конструкции в целом и отдельных ее элементов. Конструктивное постоянство может наблюдаться на отдельном (заданном) этапе времени, которое обосновывается оптимальным сроком эксплуатации на основе технико-экономических расчетов.

Уровень экологической приемлемости и совершенства МК определяется показателем их ресурсоемкости (энергоемкости) на одно сооружение (изделие).

На основе анализа КИЗ при решении вопросов регулирования, управления, восстановления качества воды на водных объектах и их защита от загрязнений при чрезвычайных ситуациях было установлено, что значительная часть этих вопросов (около 30%) не может быть решена с помощью имеющихся эвристических приемов. Для большинства задач было сформулировано 23 дополнительных приемов, исходя из принятого

принципа адаптивной способности к окружающей среде и уменьшения ресурсоемкое™ МК.

Практическая реализация разработанных новых и использованием имеющихся эвристических приемов позволила создать принципиально новый тип МК - мягкие наплавные конструкции (МНК) (рис.1; 1-25). Для целей мелиорации малых рек, локализации аварийных сбросов загрязняющих веществ и предупреждения чрезвычайных ситуаций на водо-подпорных и др. сооружениях водных объектов при реализации эвристических приемов были получены конструктивные решения (рис. 1, 26-40).

Теоретическое развитие методологии процесса совершенствования базовых конструктивных решений позволило'разработать обобщенный специализированный алгоритм решения проектно-конструкторских задач МК для регулирования качества воды на водных объектах.

Обобщенный специализированный алгоритм решения проектно-конструкторских задач МК для регулирования качества воды на водных объектах делает возможным прогнозировать следующее:

- на базе развития функциональных отраслей знания будут совершенствоваться физико-механические свойства синтетических тканевых материалов, что будет способствовать эволюционному процессу конструктивного развитии МК;

- дальнейшее развитие прогрессивных методов синтеза конструктивных решений, что позволит решать сложные задачи по поддержанию сбалансированности антропогенной нагрузки на водных объектах.

Полученные новые конструктивные решения МК (рис.1) явились основой в разработке водоохранных технологических схем (табл.1).

В третьей главе представлены научные основы расчета МК регулирования качества воды на водных объектах.

Несущим элементом МК является мягкая оболочка, под которой нами понимается предварительно напряженная тонкая оболочка, напряжение в которой распределено равномерно по толщине, не способная без

Мягкие конструкции водоохранных технологических схем

^ "

.<->......•-■-)

г—«. -у*1

/ ч

... ...........х„— ^........>;

• е шгн*

Рис. I ■

О4

ш^тпт 28

.м .

.....

-.л*----С.-.5;---хг •а-->.. »а

......-V у" сг~г/г~у^г- г-.

■ С. 1326644

$ /

. 37 -

& Л V - |

.......~ «ПЙ^ЁйЦаЗ^ ~

Рис. I. (продолжение)

складкообразования воспринимать сжимающие усилия. Для МК водоохранных технологических схем (табл.1) используются тканевые материалы с водонепроницаемым покрытием, толщина которых составляет 0.8 - 1.2 мм, а осевой момент инерции равен 0.43 10-'°. . . 1.4 10-10 кг -м2 , модуль упругости от 100 до 300 МПа, следовательно, жесткость на изгиб находится в интервале 4.3 Ю-6... 4.3 Ю-5 кНм2. Такие материалы характеризуются низкими величинами жесткости на сжатие от 100. . . 400 кН. Поэтому естественно считать несущие элементы безмоментными и неспособными воспринимать силы сжатия. В качестве допущения для мягкой оболочки принимаются основные допущения для тонкой безмоментной оболочки Na + Nß > О, No • Nß > 0.

При разработке теории мягких оболочек Алексеев С.А., Усюкин В.И., Григорьев A.C., Магула В.Э., Друзь Б.И., Волосухин В.А. и др. учитывают как растягивающие усилия (Na , Nß), так и сдвигающие (Sa , Sp). Вместе с тем экспериментальные исследования проведенные нами, ЦНИИСК, ГрузНИИЭГС, МГМА (НИМИ), МАРХИ и др. показали, что сдвигающие усилия как правило на порядок меньше растягивающих. В связи с этим при разработке научных основ расчета МК регулирования качества воды на водных объектах сдвигающими усилиями пренебрегаем.

Отличительная особенность принятой физической модели материала, на основании большого объема экспериментальных исследований, как кратковременных, так и длительных, состоит в том, что материал полагается ортотропным с показателем анизотропии С = Е „л / Е у.г, где Е ел - модуль упругости основы, Е у.г - модуль упругости утка.

Таблица 1

Водоохранные технологические схемы с использованием МК

Л® п/п Наименование технологической схемы ' Использованные в схемах МК (рис.0 Целевое назначение технологичесхнх схем

1 2 3 4

1 Технологическая схема технического водоснабжения энергетических установок (ТЭЦ, ГЭС. АЭС) 1,2,3, 4, 6.7,8, 9, 10, 11, 13, 16, 21, 22. 23 Управление и регулирование температурным режимом на водном объекте

Технологическая схема водо-подачи на оросительную си-стечу 1,4,5, 11, 12,13, 15, 17, 20 Снижение попадания молоди рыб на оросительную систему

Технологическая схема мелиорации в грофных (дистрофных) в одоемов 1, 2, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 25, 26, 28. 33, 34 Снижение попадания молоди рыб на оросительную систему

4 Технологическая схема мелиорации малых рек 14, 15, 18, 24, 26-35 Повышение водности и улучшение экологического состояния

5 Технологическая схема систем водоснабжения (питьевое, промышленное) 1,9, 10, 12, 13, 14, 15, 17, 20, 23 Повышение надежности и безопасности работы водозаборных сооружений в случаях повышенной мутности потока воды, наличия нефтепродуктов в воде при ЧС

6 Технологическая схема восстановления экологического равновесия в дельтовых участках рек и эстуариев (штанах, лагунах) 1, 2,9, 10,12, 14, 15, 18, 23,25,31 Создание необходимой гидравлической структуры потока в дельтовых участках рек и прибрежной морской территории для транспортировки накопившихся загрязненных донных отложении на более глубокие и безопасные ддя ихтиофауны места в море

7 Технологическая схема производства работ на воде (добыча полезных ископаеш>1х, строительных материалов, выполнения строительных работ) 1, 10, 13,14, 17, 23 Устранение загрязнения водного объекта потоком повышенного содержания взвешенных частиц, нефтепродуктов и т.п.

3 Технологическая схема воспроизводства рыбных запасов на внутренних водоемах 13, 14 Ограждение мелководных зон (глубиной до 2 м) на акваториях водохранилищ для выращивания промысловых видов рыб

9 Технологическая схема компоновки речных портов 12, 13, 19 Устранение загрязнения водного объекта нефтепродуктами от речных судов и возможных ЧС

10 Технологическая схема компоновки ботанических площадок 12, 13, 14 Ограждения локальных зон на акваториях водных объектов для устройства ботанических площадок, способствующих более полной очистки загрязненных вод тяжелыми металлическими и другими веществами

11 Технологическая схема локализации аварийных сбросов загрязняющих веществ в водный объект 12, ¡8,19 Локализация в заданное распространения загрязняющего вещества (нефтепродукт т.п.) на водном объекте (реки) при возникновении ЧС

12 Технологическая схема пред. упреждения чрезвычайной ситуации (ЧС) на водопроводных и других гидротехнических сооружениях 36, 37, 38, 39. 40 Предупреждение ЧС и выполнение восстановительных работ на гидротехническом сооружении

13 Технологическая схема локализации аварийных сбросов нефтепродуктов на водосборной территории 26 Локализашя в заданное время распространения нефтепродуктов на водосборной территории при возникновении ЧС

Расчетная система дифференциальных уравнений получена в виде

а Na

Naf,(ß) +---------fz(ß) = m;

ар

О)

д Np

Np f4(cc) +---------fs(a) = fis(a);

ÖA д AR2

где fi(ß) =--------- +------(-------------);

dß д ß Ri

AR: f2(ß) =--------;

f3(ß) =-------(AR2Pj);

6ß

dß d В Ri f4(a) =-------- + -------(.----------.);

da da R2 BRi

fs(a)=------------;

Ri.

f6(a) =-----(BR1P3)

Na и Np - растягивающие усилия; Ri и Rz - радиусы кривизны; Pi, P2 и Рз - составляющие внешней нагрузки; А и В - коэффициенты первой квадратичной формы поверхности в ортогональной системе координат а и ß.

Широкое практическое значение имеет расчет одноосно-напряженных мягких оболочек, работающих в потоке воды.

Нами исследованы задачи эксплуатации таких оболочек при заданных физико-механических параметрах (модуль упругости, поверхностная плотность, коэффициент анизотропии, коэффициент Пуассона).

Расчетные системы уравнений для несущей незамкнутой оболочки получены в виде:

Яо 1 Г1|(фч>. <ро) = Аг +------ 5 вт (фкр. <ро) + — N1 (фкР, фо) + Ьотсоэ фо = 0 ;

У У

(2)

Яо 1 Ьоо№ (ф«р, фо)

Г\1 (фкр, фо) = I------5 (фкр, фо)------N2 (фкр, фо)!------------------- (1- V2) = О,

у у Е с Я

где А г, Ь - геометрические размеры элементов сооружения; у - плотность воды;

Яо - поверхностная плотность материала.

N1 (фкр, фо), N2 (фкр, фо), N3 (фкр, фо) - размерные функции, зависящие от положения верхней и нижней кромки закрепленной мягкой оболочки.

Е, с, ¡1, у - физико-механические свойства используемого материала.

С целью облегчения практических расчетов оболочек МК, используемых в технологических схемах таблицы I автором разработаны 14 номограмм, одна из которых приведена на рис.2.

Учитывая важность научного обоснования МНК струераспредели-тельных сооружений автором получены расчетные зависимости для процента сквозности от 18... 20 %, которые хорошо согласуются с данными экспериментальных исследований (3 ... 4 %).

Расчетные усилия по основе и утку тканевого полотнища рекомендуется определять по следующим зависимостям:

Т,= РоЬ/(1-Р/100)(ф2-ф|);

Тг = (0.5 Ро - Я Рс) Ь / (1 - Ь/100) (ф2 - ф.),

(3)

(4)

Номограммы расчета незамкнутых оболочек МК

— = 0,003 УН

-= 0,02

уН

Рис. 2

где Ро - давление на полотнище;

L - периметр оболочки (м);

Ч>2, Фi - расчетные граничные углы, определяемые из системы уравнений (5):

cos а = (sm ф2 - sin (pi) / (cos <pi - cos срг), (5)

LI Ьв.б.= <pz - ф! / (cos ф| - cos фг), •

где а - величина, измеряемая в радианах, зависящая от конструктивного типа сооружения;

he.6. - глубина воды в верхнем бьефе, м;

К - коэффициент, учитывающий изменение давления воды в зависимости от ширины перекрываемого пролета и индивидуальных особенностей конструкции;

Рс - расчетная величина давления на мягкую оболочку по длине;

Р - процент сквозности.

Опыт применения МК в технологических схемах табл.1 показал, что на геометрические и гидравлические параметры сооружения влияет изменчивость физико-механических характеристик тканевых материалов, используемых в данных конструкциях.

Автором разработана методика оптимизации параметров МК водоохранных сооружений. При расчете используются результаты экспериментальных и натурных исследований диаграмм длительной прочности композиционных анизотропных тканевых материалов, что позволяет выполнять расчеты по определению геометрических и гидравлических параметров на заданный год эксплуатации.

В работе обосновывается численная методика расчета МК, используемых в водоохранных технологических схемах табл.1 на волновые нагрузки.

Мягкая оболочка подвижного вертикального экрана рассчитывается следующим образом:

- задаются начальные значения угла (ао) и усилие (То);

- вычисляется текущее значение параметров по выражениям:

sin a¡

T¡+i = Ti - q 0(z ¡ + Д S¡------------);

L06 Ti

Д SÍ+i = -----------;

n (6)

Дан1=а» + Даг,

X¡+i = X¡ + Д S¡ eos a¡;

Zi+i = Z¡ + A Si sin a¡,

где qo - поверхностная плотность оболочки, кН/м;

n - число разбиений (п> 100);

L об - периметр оболочки вертикального подвижного экрана.

Физико-механические характеристики материала используются на каждом расчетном шаге и введены в ЭВМ в виде массива опытных данных.

В четвертой главе рассмотрены основные результаты экспериментальных исследований МК, проводимых под руководством автора, используемых в водоохранных технологических схемах (табл.1).

Управление элементами природной подсистемы, такими как реки, озера, водохранилища, требуют совершенствования существующих и создания новых технологических схем регулирования качества воды на водных объектах. В связи с этим очень важно при совершенствовании и развитии водоохранных технологических схем иметь аппарат, позволяющий принимать научно обоснованные параметры МК, функционального их взаимодействия конструктивных элементов, выявление зависимостей между параметрами водного потока и конструкцией, при различных сочетаниях внешних факторов, экологических требований и обеспечения функциональной работоспособности.

Экспериментальные исследования МК выполнялись в лабораториях НИМИ, ЮжНИИГиМа, ВНИИГ, Черноморского отделения морских берегозащитных сооружений им.А.М.Жданова, ЦНИИ лесосплава и Башкирского сельскохозяйственного института.

Методика исследований, описания экспериментальных установок приведены в соответствии в каждой серии опытов (конструктивных, гидравлических исследований, обоснованию параметров, выявлению функциональных зависимостей при регулировании температурным режимом на водном объекте, волновым воздействиям на МНК, гидравлики водо-подпорных плотин).

Для научно-технического обоснования основных параметров МК, используемых в водоохранных технологических схемах (табл.1) под руководством и непосредственном участии автора были выполнены гидравлические исследования с выявлением конструктивных особенностей взаимодействия МК с водным потоком, функциональной работоспособности в условиях конкретной технологической схемы при различных сочетаниях постоянных и временных факторах воздействия.

Результатами конструктивных гидравлических исследований из полученного множества конструктивных решений автором выявлены базовые МК (рис.1 - 1,5,7,13,18,21,26,31,36,40), обладающие способностью быть прототипом последующих эволюционных модификаций по их совершенствованию.

МНК, представляющая собой гибкую механическую систему, взаимодействующую с водным потоком, в результате чего возникают постоянные, временные, кратковременные нагрузки и их сочетания как на отдельных конструктивных элементах, так и сооружении в целом. Исследованиями установлено, что функциональная надежность МНК зависит от оптимальности конструктивного взаимодействия элементов сооружения между собой, что обеспечивается исходными параметрами.

Автором установлено, что основными факторами, оказывающих влияние на те или иные параметры МНК являются:

- технологические требования на изготовление, транспортировка, выполнение монтажных работ, условия эксплуатации;

- выполнение заданных функциональных задач в той или иной водоохранной технологической схеме (табл. 1):

- экологические требования по рациональному использованию природных ресурсов (при изготовлении, строительстве и эксплуатации).

На основе разработанной автором классификационной характеристики изучаемых параметров установлено, что основными являются геометрические, гидравлические и физико-механические параметры. Геометрические параметры МНК определяются формой оболочки подвижных, неподвижных экранов (основных, дополнительных; вертикальных, горизонтальных), линейными размерами экранов в периметре и в плане, размерами поплавков, гибких фиксирующих связей, якорных устройств, формой и размерами отверстий на перфорированных экранах. Установлено, что периметр вертикального подвижного экрана (Ьв) определяется (Ьв = Ьв.т. + 1/2 Ьв + Д Ьк ) суммой составляющих: теоретического размера, высоты волны и конструктивного запаса для отметок ФПУ. Размеры дополнительных горизонтальных (рис.1 - 3,6,7,11), вертикальных экранов (рис.1 - 4,5,11) по периметру оболочки определяются в зависимости от высоты донного водозаборного окна (Иот) соответственно Ьг.дп. = (1,35 - 1,75) Ьот; 1-в.дп. = (1,1 - 1,25) Ьот. Из условий снижения попадания донных видов молода рыб и гидравлической структуры потока перед водозаборным окном, вертикальный дополнительный экран (рис.1 - 4,11) устанавливается на расстоянии 1 = (1,75 - 2,3) Ьот. от донного отверстия. Исходя из функциональных, прочностных и технологических условий оптимальный диаметр отверстий Оо = 0,25 - 0,35 м, с шахматным порядком их расположения на вертикальном подвижном перфорирован-

ном экране (рис.1 - 21). Продольные размеры (длина в плане) МНК в технологических схемах табл. I определяются функциональными задачами и на практике составляют от' 100 до 3000 м. На результатах обобщения опыта технологии изготовления, транспортировки, строительства, эксплуатации и экспериментальных исследований автором рекомендовань: модульные секции, длина которых составила 20 м. Одним из основных конструктивных элементов в обеспечении функциональной работоспособности МНК являются системы поверхностных и заглубленных поплавков. Исследованиями установлено, что оптимальный диаметр цилиндрического поплавка определяется оптимальной величиной выталкивающей силы Ра = 50 - 60 кг. с. на 1 п.м. Из условий волнового воздействия длина секции поверхностного поплавка 1п.п. = 3,25 м. Геометрические параметры (рабочая длина, стрела прогиба) гибких фиксирующих связей определяются в зависимости от планового размещения якорных устройств и разности отметок закрепления их концов.

Геометрические размеры МНК, используемых в водоохранных технологических схемах 11-13 табл.1, определяются в зависимости от мор-фометрических характеристик русла реки, технического паспорта гидротехнического сооружения нефтепровода, продуктопровода в соответствии с декларацией безопасности их эксплуатации.

В зависимости от решаемых водоохранных задач технологических схем табл.1 исследованиями было установлено, что в управлении гидравлической структурой потока в зоне действия МНК, основную функцию выполняет форма оболочки подвижных и неподвижных экранов, расположение по глубине и в плане как отдельных элементов, так и сооружения в целом.

При выполнении селективного отбора воды из стратифицированного водоема одним из основных гидравлических параметров МНК водозаборных сооружений является число Фруда (Иг"). Полученная нами

экспериментальная зависимость Fr" =f (h I H) позволяет определять погонный расход (q), геометрические параметры (высоту h« и длину В от) донного , водозаборного окна из условия отбора более холодного слоя воды (h). Учитывая условия функциональных задач и рыбоохранных требований установлено, что допустимая скорость потока на водозаборном окне V и .доп. < 0,1 - 0,15 м/с. При наличии дополнительного горизонтального экрана (рис.1 - 3,6,7,11) для обеспечения устойчивости сооружения V нлогт. < 0,38 - 0,44 м/с. Расположение МНК водозаборного сооружения под углом 9 = 10 - 20° относительно динамической оси транзитного потока на водном объекте, интенсифицирует поступательно-вращательное движение транзитного потока вдоль вертикального подвижного экрана, что повышает функциональную эффективность сооружения в технологических схемах 2, 5, 6,7, 9,11 табл.1.

Учитывая особую функциональную важность струераспределитель-ного сооружения в технологической схеме 1 табл.1 под руководством и при участии автора были выполнены комплексные гидравлические исследования различных моделей на изотермических и гидротермических, плоских и пространственных (на моделях Ставропольской, Сургутской, Азербайджанской ГРЭС) модельных установках с соблюдением критериев физического моделирования.

Frн = Fr« = ideM,Reм >ReMJcp., (Д q / q2)« = (Дq/

На результатах обобщенного анализа исследований было установлено, что на формирование устойчивого расслоения подогретого потока за струераспределнтельным устройством влияют следующие параметры: относительное сжатие подогретого потока L = IWH, где hEX - глубина потока на выходе (в створе струераспределителя), Н - средняя глубина водоема охладителя; геометрическая форма вертикального подвижного перфорированного экрана и его плановое расположение (выпуклое, прямолинейное вогнутое) по отношению к потоку; форма, расположение от-

верстий и процент сквозности экрана; наличие дополнительного полотнища, закрепляемого к основному перфорированному экрану. Было установлено, что при 18-20-ти процентной сквозности и равномерном шахматном расположении круглых отверстий достигается наиболее высокая эффективность, в сравнении с традиционными струераспредели-тельными устройствами (фильтрующая дамба, открытый канал), в формировании поверхностного подогретого слоя (КО на водном объекте.

Для оценки характера распределения тепловой нагрузки по акватории водного объекта автором была получена функциональная зависимость (рис.3) вида:

(ь-^/дг =1<а+»2>*/п> (8)

где: - температура сбрасываемого подогретого потока;

Ъ, со | - соответственно средняя температура и площадь, ограниченная соседними изотермами;

I - задаваемый температурный перепад; Г2 - полная рабочая площадь водоема охладителя; (а) и (в) - численные коэффициенты с учетом ветрового воздействия на эффективность работы мягкого струераспределителя, определяемой температурой воды на водозаборе, была получена зависимость (рис.4) вида:

I. = а| + аг х + аз х2 + а4х3 + т х4 , (9)

где {«- температура воды на водозаборе; х - направление ветра; а!... ,а5 - численные коэффициенты. Для определения потерь напора на перфорированном экране нами была получена эмпирическая зависимость:

Ьп.Э. = ( 4 V 2от.,./ 2 g) БЩф , (10)

График зависимости распределения тепловой нагрузки по акватории водоема-охладителя

•ь I - г I

д г

''/'г V/'/

/ / /Л '/А' < //г , //', у/ ' ' / 1 / _

г ' 'А /Ж / С'' /

-- и ' '¿¿•У -

°с

Рис. 3.

со 1

5 ! I -4 !

р \ 1 1 1 /"1

1 \ ! \ 1 / 1 / 1 1 1 I

1 ( и \ / 1

1 1 1 1 . . . 1

ю юз з сз с св в юв ю

Рис.4

| : 1

где v от.э.- средняя скорость потока в отверстии экрана;

Ф - текущий угол а рассматриваемой точке экрана; с, - коэффициент местного сопротивления, определяемый по эмпирической зависимости с, = 287,08 Re-0'62

Исследованиями установлено, что при Fr о.вх. < 1,0 наблюдается послойное расслоение масс воды, при Fr0.»x. > 1,0 происходит перемешивание по глубине.

Исходя из определенных соотношений hi/H и hBJJH автором были составлены расчетные номограммы (рис.5,б) для определения кинематических характеристик потока (Fr о.,*.; Rim; С s».)> по которым оценивается характер (послойное, перемешивание), распределение подогретого потока на акватории водного объекта.

На основе полученных экспериментальных зависимостей разработана методика расчета прогноза теплового режима на водном объекте при использовании МНК (рис.1).

Исследования на моделях различного масштаба показали, что физико-механические характеристики модельного полотнища существенно влияют на геометрические параметры МК и напряжения в ее элементах. Переход от модельного материала к натурному весьма затруднителен ввиду анизотропии материала и его физической нелинейности. В связи с имеющимися место трудностями физического моделирования МНК весьма перспективно имитационное математическое моделирование. Математическая модель взаимодействия МНК с волновым потоком разработана применительно к ЭВМ ЕС 10-36 и легко адаптируется IBM. Разработанная имитационная математическая модель позволяет вводить различные типы тканевых материалов и их физико-механические свойства (модуль упругости по основе и утку, коэффициент Пуассона по основе и утку, коэффициент анизотропии, связи деформации с усилиями

по основе и утку, толщину материала и др.) и различные геометрические параметры экранов и фиксирующих связей.

Результаты имитационного моделирования МНК представлены на рис.7-10 в виде расчетных номограмм.

В пятой главе рассмотрен обобщенный автором опыт применения МК в технологических схемах регулирования качества воды на водных объектах.

Отечественный опыт использования тканевых материалов в создании МК (плотины парусного типа) начинается с 1929 г.

Первые промышленные образцы мягких водоподпорных плотин наполняемого типа были разработаны в Новосибирском институте инженеров водного транспорта (1966-1967 гг.), которые были установлены на р.Китерня Тюменской области.

Используя идею создания плотин парусного типа, высказанной Н.П.Розановым в 1929 году, с 1972 года получили широкое применение мягкие плотины мембранного типа в различных водоохранных технологических схемах (рис.1 табл.1).

Приводится обзор работ, выполняемых автором совместно с сотрудниками гидротехнической лаборатории ЮжНИИГиМа, НИМИ (1974-1978 гг.), кафедры гидравлики и гидротехнических сооружений Башкирского сельскохозяйственного института (1979-1990 гг.), Башкирским филиалом РосНИИВХ (1990-1996 гг.), а также работающих совместно с группами сотрудников конструкторского отдела Уфимского завода резиновых технических изделий (РТИ), научно-исследовательских и проектных организаций: ВНИИГ, НИС Гидропроекта, Татгипровод-хоз, Башгигроводхоз, Южгипроводхоз, Севкавгипроводхоз, ЮжУкрги-проводхоз, ОКБ Гидропроекта, Ростовское отделение Теплоэлектропро-екта, Союзводавтоматики и др.; строительных организаций Татмелио

Зависимости распределения слоистого потока по глубине ьодоема-охладителя

Т«Г£( х 1; х2)

а - номограмма расчета слоистого распределения подсирегшо потока по глубине; 6 ■ цмфик ааипсцыосш || , / И = а • (X , Г ' (X ;)" = а (II ,>/ II ) " ( 1Ч» ИХ )"

Рис. 5

• - «°»№грамм, расчет. ,

«ОДО«,*. г" слоистого oacrrn...

'-•"'"■■'»г <«/„,»-, Sj..Xj<

Р"С. 6

водстрой, Башмелноводстрой, Донводстрой, Николаевводстрой. дирекции Ставропольской и Конаковской ГРЭС; Смоленской АЭС и др.

Первые проектные разработки на строительство и эксплуатацию мягких плотин мембранного типа для технологических схем малых рек были начаты в 1972 году институтом Татгипроводхоз. На полученных результатах производственных испытаний промышленных образцов мягких водоподпорных плотин на малых реках Республики Татарстан автором были решены научные и практические задачи, связанные с вопросами технологий изготовления, строительства, эксплуатации, функциональной работоспособности в водоохранных технологических схемах и дальнейшего (эволюционного) их совершенствования в условиях научно-технического прогресса. Дальнейшее развитие конструкторских и проектных работ по применению мягких водоподпорных плотин в водоохранных технологических схемах (рис.1; 26-35) позволило разработать типовые проектные решения (институт Татгипроводхоз) и организовать серийное их изготовление на Уфимском заводе РТИ, что послужило широкому их внедрению в практику водного хозяйства в различных регионах бывшего СССР.

Проводимые автором конструктивные совершенствования МК мембранного типа нашли применение в технологической схеме предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций на гидротехнических сооружениях (табл.1). В 1973 году в институте "Севкавгипроводхоз" с участием автора был разработан проект перекрытия прорези через полуостров Уч-Коса Дагестанской АССР, образовавшееся в результате чрезвычайной ситуации. Перекрытие образовавшегося прорыва намечалось производить мембранной плотиной с высотой напора 5,7 м, шириной перекрываемого пролета 100 м. Использование МК мембранного типа по технологической схеме 12 табл.1 было осуществлено в 1975 году на шестом гидроузле р.Дон. Полученный опыт применения МК в техноло-

гической схеме 12 табл.1 использовался в дальнейшем в Ростовском отделении Тепло электропроект (1975 г.) в институте "Союзводавтоматика" (1976 г.) н др.

Совершенствование существующих и создание новых водоохранных технологических схем 1-3, 5-11,13 табл.1 вызвало необходимость открытия автором нового конструктивного направления в области мягких гидротехнических конструкций, связанного с созданием и развитием МНК. Первое практическое применение МНК получило в системах технического водоснабжения ТЭС и АЭС. Так, в 1975 году Ростовским отделением Теплоэлектропроект при участии автора был разработан проект МНК струераспределительного сооружения для Ставропольской ГРЭС. Параметры МНК соответствовали сбрасываемому подогретому потоку 80 м3/с (глубина в створе установки 5 м, ширина пролета 180 м. процент сквозности напорной грани 18 %, диаметр отверстии 30 см с шахматным их расположением, перепад уровней 4 см). Используя результаты теоретических и экспериментальных исследований автором на Уфимском заводе РТИ была разработана техническая документация на изготовление МНК струераспределителя. В отличии от технологии изготовления мягких плотин, в разработке технической документации и технологии изготовления МНК были решены новые задачи, связанные с определением геометрических параметров модульных секций, их соединения между собой как на суше, так и на воде, что принципиально определяет (упрощает) технологию выполнения монтажных работ при строительстве и эксплуатации. Важным элементом технологии изготовления МНК является также обеспечение заданных геометрических параметров, от которых зависят гидравлические характеристики сооружения и соответственно функциональные параметры водоохранной технологической схемы. Дальнейшее практическое применение МНК в технологической схеме 1 табл.1 получило в качестве глубинного водозаборного рыбоза-

шнтного сооружения на Конаковской ГРЭС. В функциональную задачу МНК водозаборного рыбозащитного сооружения входило обеспечение отбора воды из нижних, более холодных слоев Иваньковского водохранилища и снижение попадания молоди рыб в технологическую систему технического водоснабжения станции.

В ходе выполнения производственных испытаний (1980-1984 гг.) промышленного образца МНК водозаборного-рыбозащитного сооружения автором были решены важные научные, экспериментальные и практические задачи, связанные с разработкой методов определения геометрических. гидравлических, прочностных параметров, функциональной надежности в условиях воздействия различных внешних факторов на сооружение.

Результатами натурных исследований было установлено, что геометрические, гидравлические и прочностные (усилия в тканевых и гибких элементах) параметры показали вполне удовлетворительную сходимость (до 10 %) с результатами теоретических и экспериментальных исследований. Ихтиологическими исследованиями в зоне действия МНК водозаборного-рыбозащитного сооружения, проводимыми ИБВВ АН СССР было установлено, что снижение попадания молоди рыб в аванкамеру насосной станции (0 = 40 м5/с) составил 70 %, что подтверждает функциональную приемлемость данной разработки для водоохранной технологической схемы 1 табл.1.

Обобщенные автором результаты теоретических, экспериментальных и натурных исследований МНК на Конаковской и Молдавской ГРЭС явились основанием при разработке проекта МНК глубинного водозабора Смоленской АЭС. Разработка проекта МНК глубинного водозабора выполнялась ОКБ Гидропроекта. Гидравлические параметры сооружения имели следующие значения: расчетный расход 200 м3/с; средняя глубина в створе установки 9 м; высота водозаборного окна 2,5...3.0 м:

скорость потока воды на водозаборном окне V < 0,15 м/с; расчетная высота ветровой волны Ь8 = 1,5 м. Функциональная надежность сооружения обеспечивалась конструктивной возможностью замены модульных секций (в период эксплуатации) вертикального подвижного экрана, систем поверхностного и заглубленного поплавков (рис. 1-2).

В технологических схемах (2 табл.1) МНК (рис. 1-5) нашли применение в качестве рыбозащитных устройств (РЗУ).

Разработанные автором методы определения геометрических, гидравлических, прочностных параметров, а также технологии эксплуатации МНК в водоохранной технологической схеме 2 табл. 1 нашли практическое применение на водозаборных узлах оросительных систем. Так, в 1984-1985 гг. был разработан проект РЗУ из тканевых материалов для Черноярковской рисовой оросительной системы Краснодарского края. МНК РЗУ (рис. 1-5) устанавливалась в русле р.Протока перед подводящим каналом ГНС № 1. Расчетный отбираемый расход составлял 20 м3/с, длина рабочих секций 100 м, скорость потока воды на водозаборном окне Уот <0,13 м/с. Дальнейшее использование МНК в качестве РЗУ было осуществлено на ГНС Явкинской О.С. Николаевской области Украины.

В 1989-1991 гг. по проекту ЮжУкргипроводхоз было построено во-дозаборно-рыбозащитное сооружение на р.Ингулец для целей снижения попадания молоди рыб в аванкамеру ГНС. Гидравлические параметры МНК РЗУ составили: расчетный расход отбираемой воды 40 м3/с; средняя глубина в створе установки РЗУ 5 м; высота водозаборного окна 2,5 м; скорость потока на водозаборном окне Уот < 0,15 м/с; дайна рабочих секций 144 м, глухих секций 160 м.

Функциональная эффективность работы МНК РЗУ, проводимая институтом Гидробиологии АН УССР (Херсонский филиал), составила 80% снижения попадания молоди рыб в технологическую оросительную систему. На зимний период сооружение опускалось на дно, на поливной

период приводилось в рабочее положение путем продувки сжатым воздухом систем поверхностных и заглубленных поплавков. Положительный опыт использования МНК в водоохранных технологических схемах 2 табл.1 был использован в технологической схеме 8 табл.1 при разработке институтом Башгилроводхоз (1991 г.) проекта рыбозаградительного устройства для промышленного рыборазведения в колхозе "Салават" Чиш-минского района БАССР.

Шестая глава диссертационной работы содержит информацию об экологической эффективности применения МК в технологических схемах регулирования качества воды на водных объектах. На примерах водоохранных технологических схем 1-4, 8,12 табл.1 показано, что с внедрением МК достигается:

- снижение ресурсоемкости на выработку единицы электрической энергии за счет уменьшения потребления топлива, выработку дополнительной энергии, повышения функциональной эффективности работы водозаборных, струераспределительных сооружений и сокращения капитальных, эксплуатационных затрат;

- снижение попадания молоди рыб на 70...80 % в технологические системы водоснабжения;

- повышение технического уровня водоохранных технологических схем, функциональной надежности и, как следствие, снижение ресурсных затрат за счет сокращения капитальных и эксплуатационных затрат;

- повышение производительности труда при строительстве и эксплуатации водоохранных технологических схем.

Расчет экономической эффективности внедрения МК в водоохранные технологические схемы выполнен в соответствии с "'Инструкцией по определению экономической эффективности использования новой техники, изобретений и рационализаторских предложений в строительстве", учитывая дополнительный экономический эффект от

улучшения функциональной и экологической надежности, снижения ресурсных затрат от использования новых средств труда.

Суммарный экономический эффект от внедрения различных МК. методов их расчета и конструирования, технологий строительства и эксплуатации, разработанных автором диссертационной работы, подтвержденных актами внедрения, составленных по установленной форме, достиг более 50 млрд.руб.

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

Опыт проектирования, строительства и эксплуатации МК регулирования качества воды на водных объектах подтвердил перспективность их применения в водоохранных технологических схемах в качестве постоянно и сезонно действующих сооружений.

Наиболее существенные научные результаты, полученные автором в процессе исследований, заключаются в следующем.

1. На основе систематизации и теоретического обобщения опыта конструирования разработаны методологические приемы создания новых и совершенствования базовых МК, новизна конструктивных решений подтверждена 33 авторскими свидетельствами на изобретения.

2. На базе использования МК обосновано 13 водоохранных технологических схем по регулированию качества воды и защиты водоемов от загрязнения при аварийных выбросах нефтепродуктов и т.п. на водные объекты.

3. Научно обоснована полная система расчетных уравнений, описывающих напряженно-деформативное состояние МК, используемых в водоохранных технологических схемах.

4. Разработанные методы расчета одноосных водоохранных мягких оболочек, находящихся в потоке жидкости, позволяют как запроектировать, так и исследовать ее поведение с изменением параметров регулирования.

5. Обоснована методика расчета МНК струераспределительного сооружения с основным рабочим элементом в виде вертикального подвижного перфорированного экрана (процент сквозности 18...20 %).

6. Обоснована методика расчета водоохранных сооружений с рабочим органом в виде мягкой оболочки на расчетный год эксплуатации,

позволяющая оптимизировать проектные параметры МК, используемые в водоохранных технологических схемах.

7. На результатах физического и математического моделирования научно обоснованы и определены параметры (геометрические, гидравлические, физико-механические) базовых МК водоохранных технологических схем.

8. На основе полученных экспериментальных зависимостей разработаны расчетные номограммы для прогнозного определения качества воды на стратифицированных водных объектах системы технического водоснабжения ТЭС, АЭС.

9. Разработана имитационная математическая модель взаимодействия МНК с волновым потоком.

10. Исследованиями доказано, что использование МНК в водоохранных технологических схемах обеспечивает снижение (70-80 %) гибели молоди рыб на водозаборах производительностью более 10 м3/с.

11. Установленная в результате внедрения экономическая эффективность от МК в водоохранных технологических схемах составила более 50 млрд.руб.

Работа содержит научно обоснованные технические, эколого-экономические и технологические решения по использованию МК в водоохранных технологических схемах, внедрение которых вносит значительный вклад в решение водно-экологических проблем.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Расчет мягких плотин мембранного типа с помощью номограмм II Гидротехнические сооружения мелиоративных систем: сб.ст./НИМИ.Новочеркасск, 1975. t.XVI. вып.6. С.200-211 (в соавт.).

2. Пути развития водоохранных сооружений с использованием мягких конструкций // Гидротехнические сооружения мелиоративных систем: сб.ст./НИМИ.- Новочеркасск, 1976. С.99-113 (в соавт.).

3. Временные рекомендации по применению мягких плотин мембранного типа /ЮжНИИГиМ, - Новочеркасск. 1977. - 26 с. (в соавт.).

4..' Гидротермические исследования струераспределительного сооружения » // Гидравлика сооружений оросительных систем: сб.ст./НИМИ.-Новочерксск. 1978. t.XVII. вып.5. - С. 119-125.

5. Плотина: A.C. 528369. - Опубл. в Б.И. 1976., Ив 34. (в соавт.).

6. Берегозащитное сооружение: A.C. 548682. - Опубл.в Б.И. 1977. № 8. (в соавт.).

7. Устройство для крепления эластичных оболочек: A.C. 594239. -Опубл.Б.И. 1978. № 7, (в соавт.).

8. Мембранная плотина: A.C. 588777. - Опубл.Б.И. 1977. № 9. (в соавт.).

9. Струераспределительное гидротехническое сооружение: A.C. 592917. - Опуб. Б.И. 1978. №6 (в соавт.).

10. Плотина: A.C. 607876. - Опубл.Б.И.1978. № 19 (в соавт.).

11. Глубинный водозабор: A.C. 622285. Опубл. Б.И.1979. № 25 (в соавт.).

12. Затвор: A.C. 626145. - Опубл. Б.И. 1978. № 36 (в соавт.).

13. Водоподпорные сооружения: A.C. 812874. - Опубл. Б.И. 1981. № 10 (в соавт.).

14. Глубинный водозабор: A.C. 794170. - Опуб. Б.И. 1981. № 1 (в соавт.).

15. Мембранная плотина: A.C. 866030. - Опуб. Б.И. 1981. № 35 (в соавт.).

16. Плотина: A.C. 881183. - Опубл. Б.И. 1981. № 42 (в соавт.).

17. Мембранная плотина: A.C. 1033625. - Опубл.Б.И. 1983. Na 29. {в соавт.).

18. Водозаборные сооружения: A.C. 1237738. - Опубл. Б.И. 1986. № 22. (в соавт.).

19. Водозаборное сооружение: A.C. 1240823. - Опубл.Б.И. 1986. № 24. (в соавт.).

20. Плотина с водоприемником: A.C. 1368375. - Опубл. Б.И. 1988. № 3. (в соавт.).

21. Водонапорная плотина: A.C. 1528844. - Опубл. Б.И. 1989. № 46 (в соавт.).

22. Водозаборное сооружение: A.C. 1437475. - Опуб. Б.И. 1988. № 42 (в соавт.).

23. Водозаборное сооружение: A.C. 1617091. - Опубл. Б.И. 1990. № 43 (в соавт.).

24. Научные обоснования проектирования рыбозащитных устройств из прорезиненных тканей для крупных водозаборов // Сб.науч.труд. Гидропроекта, вып.80. - М.: 1982. С.142-148. (в соавт.).

25. Вопросы надежности водоохранных гидротехнических сооружений из тканевых материалов // Тез.док. 8-Дальневосточной конф. по мягким оболочкам. - Владивосток. 1987. С. 169-171.

26. Вопросы расчета водозаборных сооружений из тканевых материалов на волновые нагрузки // Тез.док. 8-Дальневосточной конф. по мягким оболочкам. - Владивосток. 1987. С.166-167.

27. Мягкие конструкции наплавных и водоподпорных гидротехнических сооружений // Тез.док. Всесоюзной конф. - Севастополь. 1990. -С. 11-12.

28. Технологические схемы локализации аварийных сбросов загрязняющих веществ на водные объекты // Геоэкология в Урало-Каспийском регионе. /Тез.док.меж.научн.-практ.конф. - Уфа, 1996, С.127-128 (в соавт.).

29. Водоохранные технологические схемы регулирования качества воды на водных объектах // Геоэкология в Урало-Каспийском регионе. /Тез.док.меж.научн.-практ.конф. - Уфа, 1996, С. 128-129.

30. Конструкции из тканевых материалов в регулировании качества воды на водных объектах. // Второй Международный конгресс "Вода. Экология и технология"/Тез.док. М. 1996. - С. 306-307. (в соавт.).

31. Технологические схемы управления качеством воды на водных объектах// Монография: - Новочеркасск. 1995. 104с. (в соавт.).

32. Мягкие наплавные конструкции в технологических схемах регулирования качества воды на водных объектах // Бассейн реки: Эколого-водохозяйственные проблемы рационального водопользования/Тез.док.: РосНИИВХ. Екатеринбург. 1996. - C.17-I8.

33. Противопаводковые гидротехнические мероприятия в бассейне малых рек // Бассейновый принцип в оптимизации водопользования и

водоохранных мероприятий / Тез.докл.науч.прикл.конф., Уфа. 1994. С.17-18. .

34. Речные водозаборные сооружения // "Проблемы рационального водопользования Урала /. Тез.док.: - Свердловск. 1987. - С.37-39. (в со-авт.).

35. Система автоматического управления водозаборного сооружения из прорезиненных тканей // Проблемы рационального водопользования Урала/. Тез.док.: - Свердловск. 1987. - С.39-41. (в соавт.).

36. Система управления наплавных конструкций гидротехнических сооружений // Повышение эффективности использования водных ресурсов в сельском хоз-ве. / Сб.науч.труд. Часть I. НИМИ: - Новочеркасск. 1989. С.67-72.

37. Наплавные конструкции водозаборных сооружений и технология их возведения // Сб.науч.труд. Часть I. НИМИ: - Новочеркасск. 1989. С. 198-200. (в соавт.).

38. Плотины для малого орошения. Гидротехника и мелиорация. № 2. 1974. - С.22-24.

39. Теоретические основы расчета мягких наплавных конструкций водоохранных технологий // Труды Академии водохозяйственных наук. Вып.2 "Тканевые конструкции в гидротехническом и мелиоративном строительстве". - М.: 1995. - С.3-18.

40. Математическая модель мягкой наплавной конструкции при воздействии волновых нагрузок // Труды Академии водохозяйственных наук. Вып.2 "Тканевые конструкции в гидротехническом и мелиоративном строительстве". - М.: 1995. - С. 19-27.

41. Конструкции мягких плотин, используемых в водоохранных технологических схемах // Труды Академии водохозяйственных наук. Вып.2 "Тканевые конструкции в гидротехническом и мелиоративном строительстве". - М.: 1995. - С.28-36.

42. Расчет мягких конструкций гидротехнического и мелиоративного строительства: Монография. - Новочеркасск, НГМА., 1995. - 106 с. (в соавт.).

43. Руководство по расчету и применению наплавных конструкций. Свердловск. 1993. 23 с. (в соавт.).

44. Рекомендации по статическому расчету мембранных конструкций /ЮжНИИГиМ, Новочеркасск. 1977. 35 с. (в соавт.).

45. Руководство по проектированию и расчету струераспредели-тельных устройств из гибких материалов для регулирования температурного режима водоемов охладителей /НИМИ. - Новочеркасск. 1988- 34 с. (в соавт.).

46. Методика расчета мягкого затвора двухстороннего действия по управлению температурным режимом в водохранилище. / РосНИИВХ -НИМИ., - Свердловск - Новочеркасск., 1993. 21 с. (в соавт.).

47. Исследование потерь напора в тканевых струераспределитель-ных сооружениях мелиоративных систем И Совершенствование мелиоративных сельскохозяйственных систем: Межвуз. Сб.науч.ст. /КСХИ. - Кишинев, 1983. - С. 11-15. (в соавт.).

48. Гидротермические исследования струераспределительного гидротехнического сооружения И Гидравлика сооружений оросительных систем: Сб.ст. / НИМИ. -Новочеркасск, 1978. - Т.18. вып.5. - С.119-125. (в соавт.).

49. Гидравлические исследования мягкого струераспределительного сооружения // Научные исслед. по гидротех. в 1975 году. - Л.: Энергия. 1977. - Вып.З. - С.119-121. (в соавт.).

50. Результаты лабораторных исследований мягкого струераспре-делителя мембранного типа // Мягкие конструкции гидротехнических сооружений: Сб.науч.тр. /ЮжНИИГиМ. - Новочеркасск. 1977. - Вып.28. -С.163-180. (в соавт.).

51. Пропускная способность мягких мембранных водосливов // Гидротехнические сооружения мелиоративных систем: Сб.науч.тр. /НИМИ. - Новочеркасск. 1974. - т. 15, вып.6. - с.159-166. (в соавт.).

52. Мягкие наплавные конструкции в технологических схемах по локализации и ликвидации аварийных сбросов токсичных веществ в водные объекты II Проблемы нефтегазового комплекса России: Тез.докл. Всероссийской научно-техн.конф. - Уфа: УГНТУ. 1995. - с.222-223. (в соавт.).

53. Мягкие наплавные конструкции водозаборных сооружений // Сб.тр. УГНТУ,- 1996. - С. 141-150. (в соавт.).

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора технических наук, Бондаренко, Владимир Леонидович, Екатеринбург

Министерство природных ресурсов Российской Федерации

Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов

(РосНИИВХ)

На правах рукописи

Бондаренко Владимир Леонидович

МЯГКИЕ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ НА ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ

11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научные консультанты:

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ, академик АЕН, ЖКА, АВН А.М.Черняев

доктор технических наук, профессор, академик МАНЭБ, член-корреспондент РАВН В.А.Волосухин

Екатеринбург, 1997

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.............................................. 4

1. Современное состояние проблемы регулирования качества воды на водных объектах.................................... 14

1.1. Основные аспекты проблемы управления качеством воды

на водных объектах......................................... 14

1.2. Существующие способы и технологии регулирования качества воды на водных объектах.............................. 22

1.3. Анализ и обобщение опыта разработки, проектирования и строительства мягких конструкций............................ 32

2. Теоретико-методические основы синтеза мягких конструкций в водоохранных технологических схемах.................... 40

2.1. Эвристические приемы синтезирования мягких конструкций ....................................................... 40

2.2. Систематизация полученных конструктивных решений ... 54

2.3. Обоснование водоохранных технологических схем....... 68

2.4. Пути автоматизированного проектирования мягких конструкций в водоохранных технологических схемах............... 95

3. Научные основы расчета мягких конструкций регулирования качества воды на водных объектах......................... 107

3.1. Основные гипотезы моделей мягкой оболочки водоохранных сооружений....................................... 107

3.2. Теоретические основы расчета мягких водоохранных сооружений .................................................. 109

3.3. Расчет однооснонапряженных мягких оболочек, находящихся в потоке жидкости.................................... 121

3.4. Научные основы расчета водоохранных сооружений с рабочими элементами из перфорированных материалов............ 130

3.5. Оптимизация параметров мягких конструкций водоохранных сооружений на заданный год эксплуатации............ 134

3.6. Расчет водоохранных сооружений наплавного типа на волновые нагрузки.......................................... 138

4. Экспериментальные исследования мягких водоохранных сооружений .................................................. 148

4.1. Проблемы моделирования взаимодействия мягких конструкций с водным потоком.................................. 148

4.2. Обоснование параметров конструктивных элементов мягких наплавных конструкций.................................. 152

4.3. Исследование струераспределительных сооружений из тканевых материалов........................................ 169

4.3.1. Исследование моделей струераспределительных сооружений на изотермических установках.......................... 169

4.3.2. Исследования моделей струераспределительных сооружений на гидравлической установке в условиях плоской задачи .... 175

4.3.3. Исследование моделей МНК струераспределительных сооружений на пространственных гидротермических установках ... 181

4.4. Исследование мягких наплавных конструкций на динамические нагрузки............................................. 186

4.4.1. Исследование МНК методом физического моделирования ....................................................... 186

4.4.2. Исследование мягкой наплавной конструкции методом математического моделирования.............................. 190

4.5. Гидравлика мягких водоподпорных сооружений......... 195

5. Опыт проектирования, строительства и эксплуатации мягких конструкций в водоохранных технологических схемах регулирования качества воды....................................... 209

5.1. Опыт проектирования, изготовления мягких конструкций водоохранного назначения................................... 209

5.2. Научные основы разработки новых технологий возведения мягких конструкций......................................... 227

5.3. Вопросы эксплуатации мягких конструкций ............ 243

5.4. Разработка нормативно-методических документов по применению мягких конструкций в регулировании качества воды на водных объектах............................................ 248

6. Экономическая эффективность и перспективы применения МК в водоохранных технологических схемах.................... 252

6.1. Народнохозяйственное значение развития производства и применения МК в водном хозяйстве........................... 252

6.2. Технико-экономическая эффективность применения МК в водоохранных технологических схемах......................... 253

Выводы и рекомендации производству.................... 266

Список использованных источников...................... 260

Приложения.......................................... 292

ВВЕДЕНИЕ

Водные ресурсы, являющиеся одним из компонентов природной среды, вследствие несбалансированного соотношения темпов и масштабов использования и темпов и масштабов их восстановления, испытывают количественное и качественное истощение. Увеличение объемов во-допотребления, связанное с развитием промышленного и сельскохозяйственного производства, увеличение антропогенной нагрузки на водные объекты вызвало нарушение сбалансированности в аквальных природных системах, состоящих из абиотических компонентов и биоты. Изменчивость сбалансированности между абиотическими факторами, такими как соленость, температура воды, вертикальная и горизонтальная циркуляция, скорость течения, расход, мутность, колебания уровней и другими и сообществами гидробионтов, приводит к снижению адаптивной способности живых организмов к изменением окружающей водной среды. Сохранение сбалансированного состояния в природных аквальных комплексах в значительной мере определяется охраной и рациональным использованием водных ресурсов.

Нарушение сбалансированности на водном объекте, вызванное повышением температуры водной среды, сопровождается увеличением чувствительности гидробионтов к действию токсикантов, снижается растворимость кислорода в воде, что негативно сказывается на протекающих гидрохимических процессах самоочищения.

Тепловое загрязнение вызывает многофункциональные изменения на водных объектах, которые сопровождаются изменением условий жизнедеятельности гидробионтов, в т.ч. ихтиофауны и фитопланктона. Этот давно изучаемый вопрос в настоящее время приобрел особую актуальность в связи со сбросом в водоемы значительных объемов подогретых вод с одной стороны и недостаточной функциональной эффективностью используемых конструкций струераспределительных, водозаборных, струенаправляющих и т.п. гидротехнических сооружений.

Производство электрической энергии на тепловых электростанциях сопровождается выбросами в атмосферу большого количества загрязняющих веществ, что вызывает загрязнение окружающей среды, в т.ч. и водных объектов.

Снижение температуры забираемой воды на 1°С, для охлаждения конденсаторов, уменьшает расход условного топлива на выработку единицы электрической энергии в пределах 5-10 грамм, что равноценно сокращению выбросов в атмосферу тысяч тонн загрязняющих веществ. Для регулирования температурного режима на водоемах охладителях применяются различные типы струераспределительных, струенаправляющих, водозаборных сооружений, которые недостаточно обеспечивают необходимые температурные режимы в местах сброса и отбора воды.

Крупные оросительные системы, требующие больших объемов во-допотребления, вызывают значительное изменение абиотических факторов на водном объекте, вызывающее снижение биологической продуктивности видового состава зоопланктона, рыб и др. Нарушение сбалансированного состояния между видовыми сообществами рыб и окружающей их водной среды особо сказывается на поведении молоди рыб, вследствие чего она в массовом количестве попадает в технологические системы водоснабжения. Сохранение рыбных запасов на водных объектах вызывает необходимость проведения исследований по созданию более совершенных рыбозащитных устройств (РЗУ). Имеющиеся конструктивные решения РЗУ (металлическая сетка, касетные, жалюзные и т.п.) не отвечают современным экологическим требованиям по функциональной эффективности и ресурсоемкое™.

На водных объектах, включающих в себя водохранилища, озера сосредоточены большие объемы пресных вод, использование которых в отдельных случаях сдерживается рядом причин, обуславливающихся качественным их ухудшениям. Одной из основных причин является евтрофи-рование. Снижение уровня трофности на водном объекте требует проведения ряда мелиоративных мероприятий, связанных с повышением самоочищающей способности водной среды, к примеру, путем изменения гидравлической структуры потока на локальных участках, насыщения воды растворенным кислородом, транспортировки донных насосов в нижний бьеф гидроузлов и др.

Для выполнения мелиоративных мероприятий на евтрофных водоемах в настоящее время используются различные конструкции гидротехнических сооружений на возведение которых используются традиционные строительные материалы (камень, бетон, металл и т.п.). Опыт применения таких конструкций показывает, что функциональная эффектив-

ность не отвечает современным водоохранным требованиям. На строительство и эксплуатацию водоохранных сооружений из традиционных материалов требуются значительные ресурсные затраты, что не отвечает современным экологическим требованиям, следовательно, применяемые методы мелиорации евтрофных водоемов давали косметический эффект или были весьма дорогостоящими (ресурсоемкими).

Хозяйственная деятельность на аквальных природных комплексах является многофакторным процессом, негативное влияние которого на водные объекты может быть проявлено опосредовано и через длительные периоды времени. Продукты водной и ветровой эрозии накапливаются на водных объектах в виде донных отложений, которые оказывают негативное влияние на качество воды. Накопление донных отложений в дельтах рек вызывает нарушение экологического равновесия в части прибрежных морских территорий (лагунах), что негативно сказывается на нересте полупроходных рыб и приводит к снижению рыбных запасов в реках и прибрежных зонах морей.

Для восстановления экологического равновесия в дельтовых участках рек и прибрежных морских акваториях необходимы новые конструктивные решения, позволяющие создавать гидравлические условия для перемещения накопившихся донных отложений на более отдаленные участки морского побережья.

Одним из основных элементов аквальных комплексов являются малые реки, на водосборных площадях которых формируется около 50 % суммарного объема речного стока. Хозяйственная деятельность человека негативно отражается на механизме сбалансированности между факторами формирующими гидрологический, гидрохимический, гидробиологический режим малых рек. Восстановление сбалансированного режима функциональной работоспособности элементов реки предусматривает выполнение комплекса мелиоративных мероприятий, основными из которых являются гидротехнические.

Выполнение водоохранных гидротехнических мероприятий на малых реках в настоящее время производится путем использования различных конструкций регулирующих, водоподпорных, берегоукрепительных сооружений, которые выполняются из камня, бетона, металла и т.п. Возводимые из таких материалов сооружения рассчитываются на длительный период эксплуатации, требуют больших ресурсных затрат, что во

многих случаях определяет их экономическую и экологическую нецелесообразность. Следовательно, возникает необходимость в разработке новых конструкций гидротехнических сооружений для малых рек, обладающих оптимальным сроком эксплуатации (10-15 лет), требующих незначительное количество ресурсных затрат на их строительство и эксплуатацию.

Отечественный опыт эксплуатации ботанических площадок, устраиваемых для полной или частичной доочистки сточных вод, определяет перспективность развития такой технологической схемы, в частности для интенсификации процессов самоочищения на мелководных участках акваторий в местах сброса сточных вод в водный объект.

Для создания оптимального режима жизнедеятельности макрофи-тов в пределах ботанической площадки потребуется создание мобильных ограждающих конструкций, возведение которых не потребует больших материальных затрат.

Водные объекты наряду с антропогенной нагрузкой от хозяйственной деятельности периодически подвергаются значительным перегрузкам от загрязнений нефтепродуктами, растворенными токсичными веществами по причинам возникающих чрезвычайных ситуаций на промышленных и сельскохозяйственных предприятиях, транспорте (железнодорожном, автомобильном, речном), трубопроводах (дюкерах), пересекающих русла рек и т.п.

Вследствии нарушения условий эксплуатации, чрезвычайные ситуации возникают на водоподпорных и других гидротехнических сооружениях водохозяйственных систем, что приводит к человеческим жертвам с огромным материальным ущербом.

Опыт ликвидации чрезвычайных ситуаций, связанных с прорывами нефтепроводов показывает, что в отечественной практике отсутствуют конструктивные разработки, позволяющие в короткие сроки производить локализацию загрязняющих веществ на водных объектах.

Использующиеся в настоящее время различные конструктивные решения применительно к руслам рек малоэффективны и не решают задачи по локализации загрязняющих веществ.

Учитывая важность данной проблемы, имеется необходимость в разработке мобильных конструктивных решений, которые бы максимально учитывали гидравлические характеристики речного потока в

летние и зимние периоды, а также условия локализации разливов нефтепродуктов на суше вблизи водных объектов.

Таким образом, в рамках экосистемного подхода к водным объектам, дальнейшего удовлетворения потребностей в качественной воде населения и народного хозяйства с созданием оптимальных условий для функционирования всех отраслей экономики, выдвигается ряд частично или полностью нерешенных проблем, связанных с разработкой новых или усовершенствования существующих конструктивных решений по регулированию, управлению и восстановлению качества воды и защиты от катастрофических загрязнений при чрезвычайных ситуациях, из которых можно выделить наиболее актуальные и сложные:

1. Создание конструктивных решений для повышения функциональной эффективности водоохранных технологических схем, обеспечивающих снижение теплового загрязнения на водных объектах;

2. Создание конструктивных решений для водоохранных технологических схем по восстановлению евтрофных водоемов, дельтовых участков рек и прибрежных морских зон, гидротехнических мелиораций малых рек, производства работ на водных объектах, повышение функциональной эффективности ботанических площадок и компановки речных портов;

3. Создание конструктивных решений для водоохранных технологических схем локализации аварийных сбросов загрязняющих веществ (нефтепродукты, фенолы и т.п.) на водных объектах и предупреждения чрезвычайных ситуаций на гидротехнических сооружениях водохозяйственных систем.

Современный период развития водного хозяйства как в нашей стране, так и зарубежом, характеризуется использованием различных типов (руслорегулирующих, струенаправляющих, струераспределительных, водозаборных и т.п.) конструкций гидротехнических сооружений, которые условно разделяются на жесткие (бетонные, железобетонные, металлические), полужесткие (из грунтовых материалов, деревянные, каменные) и мягкие (с применением высокопрочных синтетических тканевых материалов, пленок, сеток).

Отличительная особенность первых двух конструктивных направлений состоит в сочетании высокой прочности с большой жесткостью, что не позволяет иметь мобильную конструкцию небольшого веса и тре-

бует значительных ресурсных затрат при строительстве и эксплуатации, имеют низкую функциональную эффективность в процессах регулирования качества воды на водных объектах.

Наиболее экологически приемлемыми конструктивными решениями являются те, надежность которых обеспечивается главным образом за счет его формы, а не за счет прочности материала. Взаимодействие формы конструкции и выполняемые ею функциональные задачи являются главными исходными в механизме совершенствования конструктивных решений. Такому подходу в большей степени соответствует третье конструктивное направление. Использование тканевых материалов, где форма конструкции в наибольшей степени определяется всеми воздействующими на нее внешними факторами, представляется наиболее перспективным. Доказательством этому являются следующие факты:

- конструкции из тканевых материалов, в сравнении с конструкциями из традиционных (жестких, полужестких), отличаются легк

Информация о работе

Бондаренко, Владимир Леонидович
доктора технических наук
Екатеринбург, 1997
ВАК 11.00.11

Диссертация

Мягкие конструкции для регулирования качества воды на водных объектах - тема диссертации по географии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы