СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ВОДООБМЕНА В АКВАТОРИИ И УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ НАНОСОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR INTENSIFICATION OF WATER EXCHANGE IN WATER AREA AND CONTROL OF MOVEMENT OF SEDIMENTS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области гидротехники, а именно - к средствам для улучшения экологического состояния различных естественных и искусственных акваторий, потоков и других водных систем, а также для эффективного управления движением в них наносов: отведения их или от берега - для его очищения, или к берегу - для его укрепления.
В морях, как известно, образуются и действуют вдольбереговые течения, которые постоянно обновляют прибрежные воды, промывают и очищают шельфовые зоны моря. Однако эти течения не захватывают замкнутые или частично открытые заливы и бухты. Скорости потока в таких акваториях бывают порядка нескольких сантиметров в секунду, чего недостаточно для поддержания этих акваторий в хорошем экологическом состоянии.
В реках имеет место эвтрофикация, наблюдаются недостаток кислорода, повышенное содержание белковых органических веществ, накапливаются илистые отложения, которые в своей основной массе оседают в прибрежной зоне, что неблагоприятно сказывается на экологическом состоянии рек.
Известна группа изобретений-аналогов, направленных на решение технической проблемы улучшения экологического состояния бухт и заливов путем очистки застойных вод этих акваторий, удаления из них накопленных загрязнений, мусора, наносов и плавающих включений [Патент RU №2538999 на изобретение «Приспособление для очистки вод акваторий бухт и заливов», МПК Е02В 15/00, опубл. 10.01.2015 Бюл. №1. Патент RU №2471923 на изобретение «Устройство для очистки вод акваторий бухт и заливов», МПК Е02В 15/00, опубл. 10.01.2013 Бюл. №1. Патент RU №2479690 на изобретение «Устройство для очистки вод акваторий бухт», МПК Е02В 15/00, Е02В 3/00, опубл. 20.04.2013 Бюл. №11. Патент RU №2536485 на изобретение «Устройство для очистки вод акваторий бухт и заливов», МПК Е02В 3/02, Е02В 15/00, опубл. 27.12.2014 Бюл. №36.]
В основу этой группы аналогов заложен общий принцип - на входе в морской залив устанавливают систему (блоки) из труб с криволинейными винтовыми поверхностями по наружному и внутреннему периметрам, связанных между собой сложным соединением из металлических профилей и деталей, которые служат для интенсификации массообмена в акватории за счет усиления циркуляции воды в застойных водах, что улучшает экологическое состояние залива.
Сходными с существенными признаками аналогов из этой группы являются следующие признаки заявленного изобретения-способа: поворот части транзитного потока и направление его в заданную акваторию, и возбуждение стационарной циркуляции этого перенаправленного в акваторию потока.
Недостатками таких аналогов являются: большая металлоемкость используемой конструкции, сложности ее изготовления и монтажа; недостаточные скорости потока на выходе из труб конструкции, что обусловливает недостаточную эффективность массообмена в акватории; в этих аналогах процесс отвода наносов нельзя в полной мере назвать управляемым - он осуществляется просто в результате циркуляции потока.
Известна другая группа аналогов, которые направлены на решение технической проблемы борьбы с наносами. Например, [Авторское свидетельство СССР №836280 на изобретение «Пескогравиеловка», МПК Е02В 8/02, опубл. 07.06.1981 Бюл. №21], - это изобретение решает задачу управления движением наносов в водоводе (в открытом канале - гидротехническом сооружении) с помощью донного косо-расположенного относительно оси водовода донного уступа переменной высоты и боковой преграды (выступа), который устроен на противоположной промывной галерее стенке водовода. Наносы эффективно отбираются, но только в придонном слое - выше проходящие струи мало нарушаются, поэтому поток освобождается в основном от донных наносов, и только частично - от взвешенных. Известны другие аналоги, решающие эту же проблему борьбы с наносами, например, [Патент RU №2533912 на изобретение «Способ очистки русел рек вблизи мостов», МПК Е02В 3/02, опубл. 27.11.2014 Бюл. №33. Авторское свидетельство СССР №1051156 на изобретение «Пескогравиеловка», МПК Е02В 8/02, опубл. 30.10.1983 Бюл. №40. Авторское свидетельство СССР №1562395 на изобретение «Способ регулирования гидравлической структуры потока воды у циркуляционного порога речного водозаборного сооружения и устройство для его осуществления», МПК Е02В 8/02, опубл. 07.05.1990 Бюл. №17.]
Недостатками аналогов этой группы являются узкая область их применения - только в гидротехнических каналах или на реках, а также недостаточная эффективность удаления наносов по всему профилю потока, во всей его массе.
Во всех аналогах этой группы используются элементы, выполняющие функцию порога. Этот сходный признак этих аналогов - порог - свойственен и заявленному изобретению-устройству.
Известно также, что пороги используются не только для решения технической проблемы удаления наносов от берега, но и для решения противоположной проблемы - берегоукрепления: установленные под определенным углом к береговой линии (и, соответственно, к оси набегающего потока), они способствуют намыву наносов в заданную зону берега, укрепляя его. В заявленном изобретении существенный признак «порог» способствует решению и этой технической проблемы - берегоукрепления.
Наиболее близко к заявленному способу по совокупности признаков подходит способ [Патент RU №2538999 на изобретение «Приспособление для очистки вод акваторий бухт и заливов», МПК Е02В 15/00, опубл. 10.01.2015 Бюл. №1.], поэтому он выбран в качестве прототипа. В нем осуществляется поворот и направление воды прибрежных транзитных течений в акваторию бухты (или залива) с помощью приспособления, включающего блок из одного и более изогнутых трубопроводов с треугольной формой проходного сечения, соединенных между собой боковыми сторонами. Блок закреплен на пути потоков прибрежных транзитных течений, изменяет направление части этих потоков и направляет их в акваторию бухты со скоростью, равной скорости прибрежных транзитных течений, что усиливает циркуляцию воды в бухте, положительно сказывается на ее экологическом состоянии, выводит накопленные загрязнения, мусор, наносы и плавающие включения в открытое море.
Недостатком прототипа являются его низкие технико-экономические показатели (большая металлоемкость и сложность конструкции для реализации этого способа и недостаточные скорости потока на выходе из труб), и за счет этого - низкая эффективность создаваемого массообмена в акватории, а также недостаточная степень управления движением наносов.
Сходными существенными признаками прототипа и заявленного способа интенсификации водообмена в акватории и управления движением в ней наносов являются: в акватории создают искусственный прибрежный поток путем поворота части транзитного течения и направления его в прибрежную зону акватории, и придают этому искусственно созданному прибрежному потоку заданную стационарную циркуляцию вдоль его оси и заданную скорость поступательного движения вдоль этой оси.
Новыми по отношению к прототипу являются следующие существенные признаки заявленного способа: этот искусственный прибрежный поток создают в виде концентрированного винтообразного потока с заданной структурой и заданной турбулентностью, придают ему плавное поступательное движение вдоль его оси со скоростью, которая превышает скорость поступательного движения транзитного течения, и направляют этот искусственный прибрежный поток под заданным углом или от берега, или к берегу, и осуществляют перенесение наносов в заданную зону.
Аналогов устройства, реализующего заявленный способ интенсификации водообмена в акватории и управления движением в ней наносов, заявителем не обнаружено.
Заявленное устройство для интенсификации водообмена в акватории и управления движением в ней наносов характеризуется следующей совокупностью существенных признаков: жестко закрепленная на дне в прибрежной зоне акватории боковая преграда заданной формы с заданными размерами и расположенный на заданном расстоянии от нее жестко закрепленный на дне затопленный порог заданной формы с заданными размерами, который установлен под заданным углом к берегу и один конец которого приближен к этому берегу на заданное (в том числе и на нулевое) расстояние.
В основу изобретения поставлена задача создания связанных единым изобретательским замыслом способа и устройства для интенсификации водообмена в акватории и для управления движением в ней наносов, совокупностью существенных признаков каждого из которых достигаются новые технические свойства:
- создание в акватории стационарного концентрированного винтообразного искусственного прибрежного потока с заданной структурой, заданным уровнем турбулентности и с плавным заданным высокоскоростным поступательным движением вдоль своей оси, что эффективно интенсифицирует массообмен (водообмен) и физико-химические процессы и реакции в акватории (окисление органики и выпадение вредных компонентов в осадок), обеспечивает деструкцию молекул примесей воды, очищая ее от вредных добавок, активизирует биохимические превращения и способствует дополнительному захвату кислорода из атмосферы через свободную поверхность потока;
- возможность эффективного управления движением наносов, илистых отложений и т.п. - они направленно отводятся, причем из всего профиля искусственно созданного винтообразного прибрежного потока: или от берега акватории, или вообще из акватории, удаляя песок, накопленные илистые отложения, загрязнения и плавающие включения, или, наоборот, - в сторону берега акватории, в заданную его часть, для его укрепления за счет намыва.
Указанные новые технические свойства обусловливают достижение единого технического результата заявленной группы изобретений - эффективное улучшение экологического состояния акватории (за счет использования полезных свойств созданного винтообразного течения с заданными свойствами), расширение области применения изобретения (так как оно может быть использовано в различных водных системах: в закрытых и открытых водоемах естественного и искусственного происхождения - бухтах, заливах, портах, эстуариях, реках, каналах, озерах, водохранилищах, в любых других потоках и системах) и расширение функциональных возможностей изобретения (так как оно может быть применено как для задачи очистки акватории и ее застойных зон, так и для задачи берегоукрепления заданных зон акватории).
Новизна изобретения заключается в создании концентрированных винтообразных течений (то есть сосредоточенных в небольшом объеме потока и обладающих большими скоростями движения потока - крутки и поступательного движения вдоль оси винта), что достигается одновременным использованием трех элементов - косо-расположенного относительно береговой линии (и, соответственно, под заданным углом к оси набегающего потока) порога (буны), бокового препятствия и бокового отверстия, с созданием условий свободного подхода потока к этому боковому отверстию и плавного входа потока в область винтообразного течения. То есть, согласно изобретению, предлагается возбуждать плавное винтообразное течение за косо-расположенной относительно потока буной - донным порогом, по виду как пластины, устанавливаемом возле берега (на некотором расстоянии от него или вплотную к нему), под заданным углом к направлению транзитного потока.
Винтообразное течение - это вид завихренного потока, имеющий вращательную и поступательную компоненты скорости. Такие течения особенно эффективны как с точки зрения улучшения экологического состояния водотоков, так и с точки зрения управления движения наносов, так как в них наблюдаются особенно высокие скорости, существенно выше скоростей самого набегающего равномерного потока; в них ускоряются физико-химические процессы и реакции, существенно улучшается качество всего потока воды, быстро очищаются значительные массы воды. Более слабые циркуляционные течения, также возникающие при этом, усиливают массообмен во всей массе потока.
В заявленном изобретении винтообразное течение, образуемое взаимодействием потока, сходящего с горизонтальной кромки порога-пластины и входящего через входное боковое отверстие (от входной вертикальной кромки порога или от его плавного закругления, если порог выполнен с таким закруглением), имеет еще ряд замечательных свойств:
- поток, срывающийся с гребня буны, имеет структуру концентрированного винтообразного течения;
- скорости вращения значительны, они в два-три раза превосходят скорость набегающего потока;
- скорость поступательного движения в винтообразном течении в полтора-два раза превосходит скорость набегающего потока;
- поток за буной (пластиной) имеет повышенную наносо-транспортирующую способность, он транспортирует донные, относительно тяжелые, наносы, а также легкие - взвешенные, причем взвешенные частицы как бы поглощаются из значительного объема транзитного потока, концентрируются вдоль оси винтообразного течения и переносятся значительными скоростями поступательного движения, имеющими место на оси винтообразного течения;
- размещая буну (пластину) под углом к потоку, по потоку или против него, и, тем самым, меняя направление течения вдоль нее, можем направлять наносы к открытой части акватории (или вообще из акватории), расчищая береговую зону, или, наоборот, - к берегу акватории, укрепляя его и препятствуя его размыву и разрушению;
- течения являются восстанавливающими и очищающими в экологическом смысле; при возникновении отрывного течения в области пониженного давления в нем возникает множество кавитационных пузырьков микроскопического размера, которые очень эффективно очищают поток, способствуя очищению значительной по объему акватории.
Создаваемое винтообразное течение является концентрированным, то есть сосредоточенным в сравнительно небольшом объеме, но соизмеримом с объемом зоны отрывного течения за пластиной; скорости вращательного движения частиц жидкости вокруг оси такого винтообразного потока значительны, они в два-три раза превышают скорость набегающего потока; значительной является также скорость поступательного движения потока вдоль оси винта - эта скорость также в полтора-два раза выше скорости набегающего потока.
Созданное винтообразное течение имеет заданную структуру - это означает, что оно возникает в зоне срыва потока с острой кромки пластины (обычно горизонтальной), установленной под некоторым углом к направлению набегающего на нее спокойного водного потока, если угол установки пластины более 30°, то всегда (при высоких числах Рейнольдса, больших 20000) будет происходить отрыв потока с верхней кромки. Течение в области отрывного потока при этом будет развитым турбулентным.
Термин «заданная структура» означает также, что мы можем задать как скорость вращательного движения частиц вокруг оси винта, так и скорости поступательного перемещения частиц жидкости вдоль его оси. Скорости вращательного движения регулируются углом установки пластины относительно оси набегающего потока (и, соответственно, относительно берега) и перепадом давления вдоль оси потока.
Сущность изобретения и конкретные примеры его осуществления поясняются со ссылками на иллюстрации, на которых изображено: на фиг. 1 - пример реализации изобретения в устье морской бухты: а) - при однонаправленном транзитном течении; б) - при двунаправленном транзитном течении, с иллюстрацией выносного элемента А этой фигуры 1б); на фиг. 2 - примеры реализации изобретения в русле или канале: а) - при использовании в системе прямого порога (система изображена в двух проекциях); б) - при использовании в системе закругленного порога; в) - изометрическое изображение системы; на фиг. 3 - таблица с результатами экспериментов по исследованию влияния бокового отверстия и боковой преграды на скорости поступательного движения потока в области винтообразного течения за буной; на фиг. 4 - пример реализации изобретения для задачи промыва застойной зоны акватории; на фиг. 5 - пример реализации изобретения для задачи берегоукрепления.
а
Основополагающим в изобретении является (фиг. 1б, ее выносной элемент А) наличие трех находящихся вблизи берега (он изображен стандартным условным обозначением) взаимно обуславливающих элементов: это жестко закрепленный на дне порог 1, который установлен под заданным углом к берегу (и, соответственно, под заданным углом α к оси набегающего потока) и так, что один его конец приближен к береговой линии на заданное расстояние  (в данном примере ), второй «элемент» - боковое (входное) отверстие 2, и жестко закрепленная на дне боковая преграда 3. Элементы 1-3 образуют единую систему, при этом боковым отверстием 2, в данном примере, является зазор  между порогом 1 и боковой преградой 3.
На фиг. 1 изображен частный случай реализации изобретения. В общем же случае изобретение характеризуется тем, что, в зависимости от вида, типа и характера водной системы, скорости и направления транзитного течения (или течений) в ней, особенности конфигурации ее русла, типа берега и т.п., задают такую форму и такие геометрические размеры порога 1 и боковой преграды 3, такую их постановку в системе (т.е., такое положение порога 1 относительно берега - и, соответственно, относительно набегающего потока - и такое взаимное расположение порога 1 и боковой преграды 3), что обеспечивается возможность, используя часть потока транзитного течения (например, течения, проходящего мимо устья закрытой морской бухты, или стремнины в реке), а также часть потока естественного прибрежного течения в акватории, создать искусственный прибрежный стационарный концентрированный винтообразный поток с заданной структурой, заданной турбулентностью и плавным поступательным движением вдоль его оси, причем со скоростью, которая значительно превышает скорость поступательного движения транзитного течения (не говоря уже о скорости естественного прибрежного течения, которая значительно меньше скорости транзитного течения), при этом обеспечивается возможность эффективного управления движением наносов в водной системе - они направленно отводятся: или от берега акватории в ее заданную зону (например, из вдавшейся в сушу части водоема - в глубинную его часть, из застойной зоны излучины реки - в стремнину), или вообще из акватории (например, из морской бухты, если устройство установлено в самом начале ее устья), или, наоборот, - в сторону заданной зоны берега акватории для его укрепления.
а
На фиг. 2 показан пример реализации изобретения в канале (или в реке, в зоне его прямолинейного русла). Сооружение, фиг. 2а), представляет собою донный косо-расположенный относительно берега порог 1 в виде пластины, установленный на заданном расстоянии  от берега (в данном примере величина  совпадает с шириной входного зазора ) и под заданным углом α к нему (в данном случае под этим же углом α порог 1 расположен и к направлению динамической оси потока). Боковая преграда 3 выполнена в виде закрепленного на берегу канала и на дне тела цилиндрической или призматической формы. Высота боковой преграды 3 в два или более раз больше высоты р порога 1. Поверхности дна возле донного порога 1 и боковой преграды 3 закрепляются. Закрепляется также поверхность берегового откоса возле этих сооружений. Пластину 1 и боковую преграду 3 устанавливают относительно друг друга так, чтобы создать наибольшую скорость у пластины (а именно - скорости поступательного перемещения потока в направлении от точки А к точке В). Скорости вращательного движения регулируются углом установки пластины 1 относительно оси набегающего потока и перепадом давления вдоль оси потока. Для достижения наибольшей скорости вращения угол α установки пластины 1 должен составлять величину 30-45°. Однако оптимальным расположением иногда является угол α=60-65°, притом оптимальными являются также длина пластины 1 - 10-15 ее высот р (фиг. 2а)). Перепад давления вдоль оси потока при этом регулируется размерами боковой преграды 3.
Такие оптимальные условия работы должны быть обеспечены как для решения задачи переноса наносов, так и для активизации массообмена в водоеме. Необходимо создать наибольшую скорость у пластины 1 (именно скорости поступательного перемещения потока). При таком условии перенесение массы потока, движущейся за пластиной 1, будет наибольшим; выброс этой массы в невозмущенный поток будет происходить в некоторой струе, и, если она распространяется в сносящем потоке, то имеет форму некоторого факела, вырывающегося из области отрывного потока и далеко проникающего в транзитный поток. Для задач перенесения наносов наибольшими должны быть скорости вращательного движения - это достигается заданием оптимальных углов установки сооружения.
С целью увеличения скоростей поступательного движения потока в области винтообразного течения предлагается соединение двух принципиальных элементов:
- бокового (входного) отверстия 2 (например, пространства между берегом и торцевой гранью буны 1 - фиг. 2а). Боковое отверстие 2 вместе с расчисткой русла перед ним предназначены для облегчения входа потока, уменьшения гидравлического сопротивления входной части в область винтообразного течения, снижения уровня турбулентности, что, в свою очередь, способствует созданию более интенсивного винтообразного течения, усиливающего массообмен в общей массе потока;
- боковой преграды 3 - для усиления отрицательного градиента давления вдоль оси винтообразного потока.
Они способствуют образованию винтообразного течения со скоростями, превышающими суммарный эффект от использования каждого из этих элементов в отдельности (фиг. 3 - результаты проведенных автором изобретения экспериментов по исследованию влияния бокового отверстия 2 и боковой преграды 3 на скорости поступательного движения потока в области винтообразного течения за буной 1).
Имеются и дополнительные возможности управления скоростями:
- гребню буны 1 придать уклон от начала зоны формирования вальца к его концу (на 10 м длины 10-30 см перепада высоты);
- придать уклон дну за буной 1 - отметка дна в начале вальца с низовой стороны буны, - там, где формируется валец, в его начале, (перепад отметок дна при этом должен составить 30-50 см на 10 м длины; дно должно быть выше в зоне зарождения винтообразного течения при горизонтальном гребне буны), что подтверждается опытами В.В. Вечера [Вечер В.В.,  Боротьба з наносами на каналах //  - Вип. 4(64), 2013 р. с. 220-227];
- при этом может быть использована естественная форма поверхности дна, углубляющегося от уреза к фарватеру пролива;
- установка криволинейного препятствия, высотой в 2-3 раза больше высоты р буны 1, или выступающего над поверхностью воды;
- если ставится задача защиты берегов от размыва, то буна устанавливается под тупым углом α к течению (т.е., навстречу потоку), при этом решается не только задача защиты берега (посредством управления движения наносов), но и задача активизации водообмена;
- использования эффекта Коанда - прилипания струек к боковой поверхности буны 1 со скругленным входом при существенном увеличении скоростей вдоль ее стенки.
Если буну 1 устанавливать под тупым углом α к потоку, то в этом случае скорости поступательного движения потока в вихревом вальце не будут превышать 1,1-1,2 от скорости набегающего потока, но будет проявляться два эффекта, указанные выше. В случае, если сооружение в первые два-три года срабатывает как берегозащитное, т.е. заиливает и закрепляет берег, то их целесообразно в дальнейшем модифицировать - дополнить головными частями (блоками), и в дальнейшем сооружение будет работать уже полностью как экологическое.
При обтекании донного порога 1 возникает сосредоточенное концентрированное винтообразное течение, существенно усиливающее массообмен, вызывающее циркуляцию в общей массе речного потока, выносящее массу воды из области вихревого течения к фарватеру на значительное расстояние от берега. Винтообразное течение, возникающее за донным порогом 1, представляет собою средство для быстрого и эффективного очищения водного потока. Здесь, в области винтообразного течения, активно проходит разрушение молекул вредных химических компонентов потока.
На фиг. 2а), вид сверху, пунктиром показана граница вихревого вальца, возникающая за косо-расположенным порогом 1, которая должна быть как можно ближе к донному порогу 1. При рациональном подборе всех параметров элементов 1 и 2 сооружения такое условие выполняется, скорости при этом существенно возрастают.
Известно, что именно в таких винтообразных течениях ускоряются физико-химические и биохимические процессы, приводящие к очистке водного потока. Эти процессы предотвращают эвтрофикацию, ускоряют окисление органических веществ и их выпадения в осадок. Уменьшается цветение, улучшается качество воды и уменьшается содержание в ней вредных органических и неорганических соединений.
В случае скругления порога (фиг. 2б) на входе происходит плавное втекание потока в область винтообразного течения, при этом реализуется эффект Коанда - прилипание струи к криволинейной стенке и ликвидация зоны отрыва в самом начале вальцовой области; в таком случае винтообразное течение становится менее турбулентным, струя движется с большей скоростью и проникает дальше в транзитный поток, двигаясь уже за пределами зоны отрывного течения.
а
На фиг. 4 показано применение изобретения для задачи промыва застойной зоны залива, с использованием нескольких (трех) порогов 1. В данном примере боковые зазоры величиной  для каждого из порогов равны расстоянию  от этого порога до берега.
а
На фиг. 5 показано применение изобретения для задачи защиты берега. В этом случае буна 1 располагается против течения, угол α при этом составляет, например, 120-135°. Буна 1 вплотную примыкает к берегу, т.е.  Величина  представляет собой ширину зазора 2 между буной 1 и боковым препятствием 3, которое имеет специальную (заданную) геометрическую форму.
Разработка выполнена в рамках государственного задания по теме №0827-2018-0004 «Прибрежные исследования».