ДОННО-ПЕЛАГИЧЕСКИЙ РИФОВЫЙ МОДУЛЬ

1. Область техники
Предлагаемая полезная модель относится к области защиты водной среды, к рыбному хозяйству и может быть использована в качестве искусственного субстрата, механического стимулятора развития биоценоза, механико-биологического фильтра в зонах повышенной антропогенной нагрузки, в том числе при аварийных ситуациях (утечки нефти, нефтепродуктов при их добыче и транспортировке); обеспечивает воспроизводство морских организмов и является научно-практическим инструментом для мониторинга водной среды с целью оценки ее состояния по показателям развития водного сообщества.
2. Уровень техники
Из уровня техники известны различные конструкции для создания подобных устройств или их элементов.
Известен искусственный океанический рифовый модуль и метод модульной конструкции [патент US 07872355, опубл. 06.01.1993], состоящий из куполообразной конструкции, выполненной из бетона, с отверстием на вершине, служащим для вентиляции внутреннего пространства. Куполообразную конструкцию устанавливают на плоском основании, также выполненном из бетона. На внутренней поверхности куполообразного модуля размещают каменные блоки, служащие для увеличения внутренней поверхности модуля. В центральной части нижнего, базового модуля выполняют отверстие, которое способствует вентиляции внутреннего пространства; в основании нижнего модуля имеются опоры квадратной формы. Рифовый модуль, внутренняя и внешняя поверхности которого являются субстратом для обрастаний, служит для увеличения экологической емкости морской среды.
Недостаток - замывание подвижными грунтами в условиях литодинамики, слабая проточность и низкая освещенность его внутреннего пространства, что способствует гипоксии и недоступности для развития макро- и микрофитов и существенно снижает продуктивность субстрата рифового модуля.
Известен искусственный рифовый модуль [патент US 07948159, опубл. 11.09.1993], состоящий из тетраэдров в форме треугольной пирамиды, выполненный из бетона с добавлением фрагментов измельченных резиновых покрышек. Модули изготавливают полыми, с отверстиями в боковых стенках, служащими для установки на дно и крепления монтажных элементов. Модули искусственного рифа служат для увеличения биологического разнообразия водоемов, используют как волноломы для предотвращения эрозии береговой линии.
Недостаток - строения из тетраэдров замываются подвижными грунтами, полезная площадь конструкции по отношению к общей площади модуля - мала, что приводит к уменьшению экологической емкости рифового модуля.
Известен рифовый модуль [патент RU ПМ 63315, МПК: В63В 35/32, опубл. 27.05.2007. Бюл. №15], который изготовлен в виде «мертвых» якорей. Металлический каркас якоря выполняют цилиндрической формы в несколько ярусов, бетонное основание - в виде бетонного кольца со сквозными отверстиями, для проникновения морских организмов, а пелагические рифовые элементы из пучков нитроволокон и пропиленовой ткани и укрепляют на магистральных тросах, соединяющих биостанции-якоря между собой и образующих замкнутый контур с внутренним двором. Рифовый модуль используют для увеличения потенциала самоочищения моря, обеспечения воспроизводства морских организмов.
Недостаток - низкая жизнестойкость металлических каркасов в условиях морской среды, при контакте модуля с трапами или якорями судов, его конструкции может быть полностью разрушена.
Известна якорная структура для трансплантации морских водорослей и комплексной системы аквакультуры для выращивания морских водорослей и морских огурцов [патент KR 201301 09911 А, опубл. 07.11.2014], выполненная из девяти заякоривающих опорных элементов из бетона, к которым крепятся сетчатые конструкции, между опорными элементами. На поверхности сетчатого садка прорастают морские травы, а внутри садка моллюски и морские огурцы. К верхней части садка крепят канаты, заканчивающиеся на поверхности плавающими буями, поддерживающими внутреннюю часть садка в расправленном виде. Между буями и садком крепят металлическую площадку, служащую для размещения молоди моллюсков и морских трав. Рифовый модуль предназначен для культивирования узкого спектра организмов и морских трав.
Недостаток - низкая устойчивость к волновой динамике, за счет уменьшения гидродинамической прозрачности конструкции. Соединение коллектора с гравитационным якорем посредством металлического замка, который в условиях морской среды, из-за коррозии металла, имеет низкую прочность. Недостаточный запас плавучести пелагической части не обеспечивает ее стабильное положение в толще воды из-за утяжеления конструкции в результате обрастания.
Известен рифовый модуль [патент US 14222954, опубл. 09.24.2015], выполненный из бетонных колец различного размера, имеющих в нижней части выступы для соединения с соседними модулями и создания сложной модульной конструкции. Конструкция служит для увеличения площади обрастания двустворчатых моллюсков, которые поселяются на субстрате рифового модуля. Модульные рифы используют для защиты берегов, и для сборки волнорезных сооружений.
Недостаток - непроницаемость стенок для волн бетонных колец, что ведет к аккумуляции грунтов внутри конструкции, что существенно снижает полезную площадь и экологическую емкость модуля.
Наиболее близка по технической сущности - конструкция рифового модуля [патент RU 93773, МПК: В63В 35/32, опубл. 10.05.2010. Бюл. №13], которую и принимаем за прототип. Устройство выполняют из двух элементов: донного модуля из железобетона и пелагического модуля в виде тросов из полипропилена. Пелагический элемент выполняют в виде тросов, расходящихся конусом от донного элемента до верхней части плавучей окружности и кольца, смонтированного в верхней части пелагического элемента. Донный элемент в верхней части снабжают ушками для крепления пелагического элемента. Полезная модель относится к области защиты водной среды и ее мониторинга с целью оценки ее состояния по показателям развития индикаторного сообщества.
Недостаток - низкая штормоустойчивость и, соответственно, жизнестойкость из-за малого веса донной части и отсутствия надежного сцепления с грунтом. Рамная конструкция донной части не позволяет укрываться в ней и метать на ее поверхности икру представителям ихтиофауны, т.к. при ее малом весе она не может удерживаться на одном месте в условиях активной литодинамики, что не обеспечивает достаточно большую площадь обрастания для макробентоса. «Точечный» способ креплений донной и пелагической части, посредством металлических колец приводит к их разрушению за счет коррозии, трения и нарушению целостности конструкции. Запас плавучести пелагической части из-за утяжеления конструкции в результате обрастания, не обеспечивает ее стабильное положение в толще воды. Конусное строение пелагической части рифового модуля с узким основанием и широкой вершиной не обеспечивают его устойчивость в толще воды в периоды штормовой волновой нагрузки, так как широкая вершина находится в поверхностных слоях воды, где волновая динамика наиболее интенсивна. Способ крепления узкого основания пелагического элемента к ушкам донного основания приводит к спутыванию полипропиленовых тросов, что приводит к значительным потерям представителей сообществ обрастаний.
3. Сущность полезной модели
В основу полезной модели поставлена техническая задача создания донно-пелагического рифового модуля конструктивного элемента, компоновка и материал которого обеспечивают его многофункциональность и направлено на решение следующих задач:
повышение надежности конструкции, ее простоты при сборке и установке;
увеличение устойчивости к волновой динамике, как донной, так и пелагической частей рифового модуля;
использование расширенного спектра биотопов и/или искусственного субстрата, увеличение их пространственного и объемного расположения, их полезных площадей;
формирование условий для воспроизводства гидробионтов биологических фильтраторов, очищающих от загрязнения водную среду, а также рыб и ракообразных.
Технический результат - высокая устойчивость, прочность и надежность конструкции, удобство при сборке и разборке, монтаже и установке, широкие функциональные возможности донно-пелагического рифового модуля: усиление процессов самоочищения водной среды, повышение продуктивности водоема, проведение мониторинговых исследований.
Технический результат достигается за счет предлагаемых конструктивных и компоновочных решений при изготовлении и установке донно-пелагического рифового модуля, который включает сборную донную часть (1) и прикрепляемую к ней составную пелагическую часть (2).
Донную часть рифового модуля выполняют в виде пирамидальной железобетонной конструкции, состоящей из сборного основания (3) и рядов, проницаемых для волн элементов (4). Проницаемый элемент выполняют в форме полого железобетонного цилиндра или усеченного конуса с соотношением диаметров не более 1:1,1, на боковой поверхности которых имеются сквозные прямоугольные отверстия (5), на нижней части цилиндра - опоры призматической формы (6). В верхней части проницаемых элементов располагают капроновые ушки (8) для прикрепления по контору пелагической части. Сборное основание 3 - цилиндрическая железобетонная конструкция, которая содержит не менее 3-х секторов (9), скрепленных между собой посредством «шипового соединения».
Пелагическую часть рифового модуля выполняют в виде двухмерной пространственной структуры. Она содержит нижнее (16) и верхнее (19) сборные кольца, их изготавливают из обрезков пластиковой трубы, концы которых скрепляют пластиковыми соединительными муфтами (20). Нижнее кольцо прикрепляют в распор капроновыми тросами (17) и полипропиленовыми тросами (18), концы которых заканчиваются петлями (24, 25) и используются для сборки пелагической части.
При сборке донной части рифового модуля, объемы и поверхности его сборочных единиц (сектора, проницаемые элементы) образуют внутренние биотопы (22, 23). Для образования внутреннего, защищенного биотопа (22), с которого начинается внутренний биотоп (23), угол сектора (9) усекают (12). Усеченные углы секторов, при их соединении, образуют треугольный контур с внутренним биотопом (22), имеющим высокую степень защиты от внешних воздействий, что увеличивает экологическую емкость конструкции.
Для облегчения сектора (9), увеличения в нем и/или с помощью его полезных площадей биотопов без потери прочностных показателей конструкции, сектор имеет не менее 3-х глухих и 2-х сквозных цилиндрических отверстий (13). Глухие отверстия начинаются на внешней боковой поверхности сектора и уходят в тело сектора на величину 50% от длины его радиуса. Сквозные цилиндрические отверстия начинаются на внешней боковой поверхности сектора, закачиваются на боковой поверхности усеченного угла сектора и соединяют внешнее пространство и объем вокруг сборного основания (9) с внутренними биотопами (22, 23) рифового модуля.
Узкую вершину пелагической части располагают в поверхностных слоях воды, где волновая динамика наиболее интенсивная, ее широкую нижнюю часть располагают в придонных слоях воды, где интенсивность волнения значительно ниже. Конусное строение пелагической части рифового модуля с широким основанием и узкой вершиной способствует его устойчивости в толще воды в периоды штормовой волновой нагрузки, и, как следствие, предотвращает потерю организмов-обрастателей, обеспечивает сохранность гидробионтов, обитающих в пелагиали и нашедших убежище на поверхности и/или в объеме пелагической части рифового модуля.
Ни из документации, ни из научно-технической литературы данной области техники, к которой относится заявленная полезная модель, неизвестно об устройстве такого же назначения, имеющего идентичные существенные признаки.
Из опыта эксплуатации рифовых модулей также неизвестно об устройстве с идентичными признаками. Отсюда правомерен вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
Указанная выше совокупность существенных признаков, а каждый из существенных признаков достаточен этой совокупности, необходима для решения поставленной задачи с получением технического результата. Между приведенной выше совокупностью существенных признаков и получаемым техническим результатом существует необходимая причинно-следственная связь. Совокупность существенных признаков является причиной получения технического результата.
Заявленная полезная модель может быть неоднократно реализована на практике с использованием указанной выше совокупностью существенных признаков, что соответствует критерию «промышленная применимость».
По сравнению с прототипом, конструкция заявляемой полезной модели донно-пелагического рифового модуля отличается прочностью и устойчивостью, экологической безопасностью используемых материалов, универсальностью вариантов установки элементов, возможностью создания большого количества модификаций, что позволяет быстро адаптировать донно-пелагического рифового модуля к меняющимся режимам акватории и изменению хозяйственного назначения.
4. Краткое описание чертежей
Изложенная сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 - показан общий вид донно-пелагического рифового модуля, в аксонометрии.
1 - железобетонная сборная донная часть; 2 - пелагическая составная часть; 3 - железобетонное сборное основание; 4 - железобетонный цилиндрический проницаемый элемент; 8 - капроновое ушко для прикрепления пелагической части; 9 - железобетонный сектор донного основания; 16 - нижнее сборное кольцо; 17 - капроновый трос, концы которого заканчиваются петлями; 18 - пропиленовый трос, концы которого заканчиваются петлями; 19 - верхнее сборное кольцо; 20 - пластиковые соединительные муфты; 21 - наплава.
на фиг. 2 - показан железобетонный цилиндрический проницаемый элемент (4) донной части, в аксонометрии.
5 - прямоугольное сквозное отверстие; 6 - опора призматической формы; 7 - круглое сквозное отверстие элемента.
на фиг. 3 - показано сборное железобетонное основание (3), вид сверху.
10 - шип; 11 - гнездо; 12 - усечение угла сектора; 14 - призматическая опора; 15 - капроновое ушко.
на фиг. 4 - показан железобетонный сектор (9) сборного основания (3) донной части, в аксонометрии.
10 - шип; 11 - гнездо; 12 - усечение угла сектора; 13 - цилиндрические отверстия; 14 - призматическая опора; 15 - капроновое ушко.
на фиг. 5 - показано сборное основание донной части и проницаемых элементов нижнего ряда, вид сверху.
22 - внутренний биотоп, искусственный субстрат, образованный усеченными поверхностями донных секторов; 23 - внутренний биотоп, образованный цилиндрическими поверхностями нижнего ряда проницаемых элементов.
на фиг. 6 - показан фрагмент нижнего кольца пелагической части, элемент крепления петель капронового и пелагического тросов к втулке пластиковой соединительной муфты нижнего кольца.
16 - нижнее кольцо; 17 - капроновый трос, конец которого заканчивается петлей (24); 18 - пропиленовый трос (искусственный субстрат), конец которого заканчивается петлей (25); 20 - пластиковая соединительная муфта; 26 - втулка пластиковой соединительной муфты.
на фиг. 7 - показан фрагмент верхнего кольца пелагической части, элемент крепления петли пелагического троса к втулке пластиковой соединительной муфты верхнего кольца.
19 - верхнее кольцо; 18 - полипропиленовый трос (искусственный субстрат), конец которого заканчивается петлей (25); 20 - пластиковая соединительная муфта; 21 - наплава; 26 - втулка пластиковой соединительной муфты.
5. Осуществление полезной модели
Процесс сборки, эксплуатации донно-пелагического рифового модуля осуществляют следующим образом.
Сборное основание (3) - цилиндрическая железобетонная конструкция, которая содержит не менее 3-х секторов, скрепленных между собой посредством «шипового соединения». Сектор (9) имеет на одной стороне шип (10), на другой - гнездо (11). Объем гнезда обеспечивает размещение в нем шипа, получают надежное и простое соединение, максимально жесткое и прочное сцепление секторов в одно целое, что способствует повышению устойчивости конструкции рифового модуля при волновой динамике и подвижках донных грунтов.
Для образования внутреннего, защищенного биотопа (22), с которого начинается внутренний биотоп (23), угол сектора (9) усекают. Усеченные углы секторов, при их соединении образуют треугольный контур с внутренним биотопом (22). Биотоп обладает повышенной степенью защиты от внешней среды, является убежищем для бентосных гидробионтов: ракообразных, моллюсков, гамарид и их молоди. Для облегчения сектора основания (9), увеличения в нем и/или с помощью его поверхностей биотопов без потери прочностных показателей конструкции, сектор имеет не менее 3-х глухих и 2-х сквозных цилиндрических отверстий (13). Глухие отверстия начинают на внешней боковой поверхности сектора и уходят в тело сектора на величину 50% от длины его радиуса. Сквозные цилиндрические отверстия начинают на внешней боковой поверхности сектора, закачивают на боковой поверхности усеченного угла сектора и соединяют внешнее пространство и объем вокруг сборного основания (3) с внутренними биотопами (22, 23) рифового модуля.
Глухие и сквозные отверстия в теле сборного основания (3) образуют контуры с внутренними биотопами (22, 23), являются убежищами для крупных ракообразных, местом отложения и охраны икры бентосных рыб - бычков, укрытием для хищных рыб - морского судака и пуголовки.
Нижнее основание сектора снабжено опорами призматической формы (15), которые надежно скрепляют конструкцию рифового модуля с дном, вне зависимости от его гранулометрического состава.
Пелагическую часть рифового модуля выполняют в виде двухмерной пространственной структуры. Она содержит нижнее (16) и верхнее (19) кольца, их изготавливают из обрезков пластиковой трубы, концы которых скрепляют пластиковыми соединительными муфтами (20), что упрощает сборку пелагической части как поэлементно (кольца, тросы), так и в целом. Нижнее кольцо (16) закрепляют в распор капроновыми тросами (17), концы которых заканчивают петлями, и полипропиленовыми тросами (18), концы которых также заканчивают петлями. Верхние петли (24) капронового троса (18) одевают на нижнее кольцо пелагической части, а нижние петли капронового троса соединяют с капроновыми ушками (8) нижнего ряда железобетонных проницаемых элементов (4). Нижние петли (25) полипропиленовых тросов (18) продевают на нижнее кольцо (16), верхние (25) продевают на верхнее кольцо (19), при этом тросы (18) располагают сходящимся конусом. Распор (натяжение) пелагической части обеспечивают наплава (21) с отверстиями, через которые проходит пластиковая труба верхнего кольца (19). Наплава (21) позволяют сохранять положительную плавучесть пелагической части, даже при большой мощности обрастаний поверхности.
Проницаемый элемент выполняет несколько функций. Повышает надежность конструкции, упрощает сборку устройства в целом, улучшает гидродинамическую прозрачность конструкции ее устойчивость в штормовых условиях, исключает процесс гипоксии для гидробионтов, обитающих во внутренних биотопах (22, 23), объемы и поверхности которых, в том числе и донного, образуются при сборке рифового модуля.
Каждую из опор (6) проницаемого элемента верхнего ряда помещают в круглое отверстие (7) проницаемого элемента нижнего ряда. Площадь круглых отверстий элементов нижнего ряда обеспечивает размещение только одной из опор верхнего ряда. Верхний ряд под действием силы тяжести удерживает нижний ряд, повышает устойчивость конструкции и обеспечивает простоту сборки и установки. Боковые поверхности проницаемых элементов нижнего ряда, при их сборке в донно-пелагический рифовый модуль, образуют замкнутый контур с внутренним биотопом (23), который обладает повышенной степенью защиты от внешней среды и является убежищем для гидробионтов: креветок, бычков, мизид, гамарид и их молоди.
В верхней части проницаемых элементов располагают капроновые ушки (8) для крепления по контуру пелагической части. Материал крепления ушек из капрона в условиях морской среды имеет больший запас прочности, не подвержен коррозионным процессам по сравнению с металлическими креплениями.
Узкую вершину пелагической части располагают в поверхностных слоях воды, где волновая динамика наиболее интенсивная, ее широкую нижнюю часть располагают в придонных слоях воды, где интенсивность волнения значительно ниже.
Конусное строение пелагической части рифового модуля с широким основанием и узкой вершиной способствует его устойчивости в толще воды в периоды штормовой волновой нагрузки, и, как следствие, предотвращает потерю организмов-обрастателей, обеспечивает сохранность гидробионтов, обитающих в пелагиали и нашедших убежище на поверхности и/или в объеме пелагической части рифового модуля.
Диаметр нижнего кольца (16) равен диаметру контура нижнего ряда железобетонных проницаемых элементов (4) и больше диаметра верхнего кольца (19). Одинаковые размеры диаметра нижнего кольца и диаметра контура нижнего ряда проницаемых элементов при длине капроновых тросов, не превышающих 25% высоты проницаемого элемента (4) из верхнего ряда донной части рифового модуля, предотвращает соприкосновение капроновых тросов с донными элементами и их перетирание в условиях литодинамики.
Донно-пелагический рифовый модуль устанавливают на поверхности дна в диапазоне глубин 10-30 м. Сначала на грунт укладываются сектора, скрепляемые между собой посредством «шипового соединения». Затем на поверхность основания устанавливают цилиндры нижнего ряда, а в их центральные перфорированные круглые отверстия помещают опоры цилиндра верхнего ряда. Верхний цилиндр удерживает под действием силы тяжести нижний ряд цилиндров. Пелагическую часть крепят капроновыми тросами к капроновым ушкам цилиндров нижнего ряда.
В случае необходимости демонтаж рифового модуля осуществляют с борта судна с помощью канатов с крюками. При этом крюками подцепляют капроновые ушки цилиндров и секторов основания, и поднимают лебедкой на борт судна.
Формирования биологического сообщества организмов на донно-пелагическом рифовом модуле распределяются в следующем порядке. На донной части рифового модуля формируется сообщество животных организмов-обрастателей: балянусов и двустворчатых моллюсков. На пелагической части - капроновых тросах и полипропиленовых тросах формируется преимущественно сообщество макрофитов, а также балянусов и двустворчатых моллюсков.
Технико-экономические преимущества заявляемого технического решения в качестве полезной модели перед существующими аналогами, в том числе и прототипом, рифовых модулей, состоят в следующем:
увеличение степени штормоустойчивости;
упрощение изготовления и сборки конструкции;
обеспечение сохранения экологического баланса и характеристик биоразнообразия в районах установки;
формирование индикаторного сообщества, имеющего высокую степень сравнимости;
увеличение на пелагической части количества полезных площадей благоприятных для обрастания макрофитами, моллюсками и др. водными организмами пелагиали;
увеличение на донном модуле количества полезных площадей, благоприятных для обрастания макрофитами, моллюсками и др. бентосными организмами, являющимися активными фильтраторами и обеспечивающими самоочистку водной среды£
увеличение экологической емкости за счет расширения разнообразия спектра биотопов, что усиливает потенциал очистки водной среды, увеличивает кормовую базу и защищенность представителей сообщества от негативного воздействия этой среды;
усиление устойчивости конструкции на поверхности дна в условиях лито динамики;
основание донной части рифового модуля, состоящее из трех секторов, скрепленных посредствам «шипового соединения», создает целостную конструкцию, устойчивую к литодинамическим подвижкам грунта;
при отсоединении пелагической части и транспортировки ее на поверхность для дальнейших исследований минимизируются потери представителей сообществ обрастаний;
пелагическая часть донно-пелагического рифового модуля объединена в систему, что также увеличивает экологическую емкость сооружения за счет его стабильного пространственного расположении и удобства для обитания гидробионтов и их мобильного передвижения по субстрату;
единая система пелагических элементов в условиях гипоксии придонных слоев воды является более емким убежищем для гидробионтов, что увеличит выживаемость сообщества в условиях замора.
Планируется использование конструкции донно-пелагического рифового модуля в районах Каспийского водного бассейна, в качестве механико-биологического фильтра на участках разведки и добычи углеводородного сырья, в том числе при аварийных ситуациях (утечки нефти, нефтепродуктов, при их добыче и транспортировке). Кроме того, донно-пелагический рифовый модуль может быть использован, как контрольная точка для мониторинга водной среды с целью оценки ее состояния по показателям развития водного сообщества.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
1. Патент US 07872355, опубл. 06.01.1993.
2. Патент US 07948159, опубл. 11.09. 1993.
3. Патент RU ПМ 63315, МПК: В63В 35/32, опубл. 27.05.2007. Бюл. №15.
4. Патент KR 201301 09911 А, опубл. 07.11. 2014.
5. Патент US 14222954, опубл. 09.24.2015.
6. Патент RU 93773, МПК: В63В 35/32, опубл. 10.05.2010. Бюл. №13.