Опыт эксплуатации ирригационных сооружений и возможности их применения на притоках бассейна Р. Урала и рек России

Опыт эксплуатации ирригационных сооружений и возможность их применения на притоках бассейна р. Урала и рек России

А.И. Гуляев, начальник Оренбургмельвода; Г.В. Соболин, д.тех.н., И.В. Сатункин, к.с.-х.н, А.А. Прядкин, Оренбургский ГАУ

Комплексная многолетняя программа развития мелиорированных земель Оренбургской области и России связана с широким использованием для целей орошения речного стока. Вместе с жидким стоком в оросительные системы поступает твердый сток.

Вопросами борьбы с наносами при водозаборе занимались многие научно-исследовательские и проектные институты водохозяйственной отрасли [1—5].

Разработаны разнообразные методы борьбы с наносами на водозаборных узлах. Одним из широко распространенных методов является регулирование гидравлической структуры потока на подводящем участке русла в створе водозабора. На основе этого метода Г.В. Соболиным в Киргизии разработаны новые конструкции водозаборных узлов с косонаправленными циркуляционными порогами, отвечающие мировым стандартам [4—5].

Данные типы узлов позволяют при высоком водозаборе, доходящем до 90%, обеспечивать эффективный промыв наносов при 10%-ном сбросе воды в нижний бьеф сооружения, что позволяет уменьшить максимальную крупность наносов, поступающих в водоприемник, до 3 мм, а при наличии на каналах отстойников с гидравлическим промывом — до 0,25 мм.

Природные условия горно-предгорных и долинных ландшафтных зон создают благоприятные условия для поступления наносов с

водосбросной площади бассейнов рек в русловой поток.

В самом русле реки беспрерывно происходит глубинная и боковая эрозия. Поток постоянно оказывает динамическое воздействие на формирование рельефа дна и очертаний русла в плане. Поэтому характерной особенностью многих рек являются большие объемы твердого стока, непрерывность и изменчивость их перемещения во времени в тесной взаимозависимости протекающих русловых процессов. Известно, что рельеф дна русла все время изменяется и приобретает самые различные очертания как по ширине, так и длине русла, которым и предопределяется тот или иной характер протекания потока в русловых наносных отложениях на данном участке реки. К наиболее существенным особенностям горных рек следует отнести: большие скорости и малые глубины потока, значительную амплитуду колебания уровня воды во времени в течение года и суток, наличие в движущемся потоке большого количества наносов, плавающих предметов, отсутствие сплошного ледостава и возникновение шуговых явлений в зимний период.

Эти особенности горных рек создают ряд трудностей для обеспечения гарантированного забора воды без наносов водоприемными устройствами узлов, которые еще более возрастают при повышении процента отбора воды из рек.

Обычно на существующих водозаборных узлах для борьбы в поступлением наносов в водоприемник используются следующие принципы: задержание наносов в подводящем русле, вертикальное и горизонтальное расслоение потока, перехват наносов при помощи наносоперехватывающих

устройств последующим сбросом их в нижний бьеф.

Разумной планово-высотной компоновкой узла и соответствующими эксплуатационными приемами можно в верхнем бьефе сооружений создать такую гидравлическую структуру протекания потока, когда кинетическая энергия транзитного потока направляется на эффективный промыв наносов. И, наоборот, при неправильной компоновке непременным будет значительный захват наносов водоприемным устройством. В процессе проектирования необходимо принимать такие конструкции сооружений, которые обеспечивают автоматическое управление гидравлической структурой потока в нужном направлении. В зависимости от примененного метода борьбы с наносами на узле, в подводящем русле и в зоне водозабора формируется определенная гидравлическая структура потока, которой соответствуют строго определенное направление и места отложений донных наносов [1—5].

Поэтому главной задачей инженеров и ученых является знание этих особенностей потока, которые должны учитываться при разработке исследований и эксплуатации головных водозаборных сооружений, что станет гарантией продуктивности агроэкосистем в ландшафтном орошаемом земледелии.

Рассмотрим данную проблему на примере Кыргызстана, где водозаборные узлы с КЦП получили наибольшее применение на ирригационных системах рек Киргизии [4—5].

На реках Киргизии построено 98 водозаборных узлов, из которых 15% — в горных, 75% — в предгорных и 8% — в долинных участках рек. Они являются разнообразными и отличаются друг от друга как конструктивными особенностями водоприемных, противонаносных и шугосброс-ных устройств, так и параметрами отдельных элементов сооружений. Применяемые водозаборные узлы на горных реках Кыргызстана можно классифицировать по различным признакам, важнейшими из них являются высотные местоположения створа узла, способ забора воды из реки, конструкция водоприемника, щитового сброса и противонаносного устройства.

Последний признак является главным. Исходя из этого, по применяемому методу борьбы с наносами, а их насчитывается около сотни, все водозаборные узлы Киргизии можно объединить в шесть групп. Такая группировка присуща всем существующим водозаборным узлам России и СНГ [1-5].

I группа — двухсторонний фронтальный тип водозабора на реках Чу (Чумышская плотина), Кугарт и Таласс;

II группа — ферганские типы водозабора (ВБЧК и ЗБЧК) на речках Куршаб Кара-Унгур-Сай, Ак-Бура;

III группа — боковой тип водозабора на реках Иссык-Ата и Ходжа-Бакирган;

IV группа — решетчатый тип водозабора на реках Аспара, Аламедин, Тору-Айгыр;

V группа — улучшенный горный тип на реках Сокулук, Карабалты, Кок-Джерты, Иссык-Ата, Джеты-Огуз, Арасан, Беш-Таш, Талдык-Сай и др.;

VI группа — водозаборные узлы с косонаправленными циркуляционными порогами (КЦП) — ферганский, горный, боковой и двухсторонний фронтальные типы водозаборов на реках Терек, Ак-Терек, Кара-Коюн, Атбаши, Сох, Шахимардан-Сай, Майли-Сай, Исфайрам-Сай, Ак-Суу, Талас, Карабалты, Ирдык, Чон-Ак-Су и др.

Краткая характеристика водозаборных узлов по их типам в зависимости с уклоном и расходов рек Киргизии приведена в таблице 1.

Анализ таблицы 1 показал, что водозаборные узлы Киргизии для целей энергетики и ирригации располагаются на горных, предгорных и долинных участках рек с уклонами дна от 0,002 до 0,070 и расходами однопроцентной обеспеченности от 20 до 450 м3/с, из которых выполнено три — по фронтальной схеме с двухсторонним водозабором, пять — по ферганской схеме; два — по обычной береговой схеме расположения водоприемника с примыкающим к нему щитовым сбросом; три узла представляют решетчатый тип водозабора; 13 — выполнены по улучшенной схеме горного водозабора и 78 — водозаборные узлы с косонаправленными циркуляционными порогами (схемы двухстороннего фронтального, ферганского, бокового и горного типов водозабора). Характерным для первых четырех групп водозаборов является наличие подводящего русла, щитового сброса, промывного устройства водоприемника, оснащенного порогом постоянной высоты.

Принцип работы последних V и VI групп водозаборов основан на возбуждении в верхнем бьефе поперечного течения потока методом неравномерного перераспределения расхода по ширине русла. С целью возбуждения поперечного течения водозаборные узлы в своем составе имеют сброс с пониженной отметкой, а также переменной высоты водосливной порог водоприемника. Водоприемники на этих узлах выполнены в виде встроенного гребня катастрофического водослива или представлены открытой аванкамерой, расположенной в русле реки.

Водоприемники улучшенных горных водозаборов (их насчитывается 13 узлов) снабжены фронтальными и криволинейными виражными порогами, четыре — с выпуклыми в плане порогами, а все остальные оснащены косонаправленными водосливными порогами переменной высоты с КПЦ. Все водозаборные узлы имеют организованное подводящее русло (прямолиней-

1. Характеристика шести групп водозаборных узлов и область их применения

Тип узла Группа узлов Кол-во, Уклон Расходы рек, м3/с Расчетные

шт. рек Qmax Qср.мн. расходы водоприемников, м3/с

Двухсторонний фронтальный I 3 0,008-0,012 270-450 22-40 1,5—8,5

Ферганский водозабор II 5 0,004-0,009 220-350 20-63 20-55

Боковой водозабор III 2 0,003-0,026 41-130 5-11 4-5

Решетчатый водозабор IV 3 0,017-0,032 34-46 1-6 1-4

Улучшенный горный водозабор V 10 0,005-0,022 38-72 2-7 3-9

Водозаборные узлы с КЦП VI 75 0,003 15-320 9-30 0,5-24

(ферганский, горный, боковой и двухсторонний фронтальный типы водозаборов) Итого - VI !-^ 98 0,003-0,032 15-450 1-63 1-55

ное — 36 и криволинейное — 62).

Анализ показал, что на предгорных и долинных участках рек получили внедрение двухсторонние фронтальные, ферганские и боковые типы водозаборов, а на горно-предгорных участках — решетчатые, улучшенные горные и водозаборные узлы с КПЦ. Двухсторонний фронтальный тип водозабора получил широкое применение на реках Средней Азии, Закавказья и юга Казахстана. В основу его работы положен принцип расслоения потока перед водоприемным фронтом водозабора на донное и поверхностное течение. При этом предполагается, что поверхностный слой забирается водоприемником, а донный слой, насыщенный наносами, сбрасывается через щитовой сброс или донные промывные галереи в нижний бьеф сооружений. В Киргизии имеется 3 построенных двухсторонних водозаборных узла на реках Чу, Ак-Су, Талас.

Ферганский тип водозабора нашел практическое применение на водозаборных узлах многих рек России, СНГ и, в частности, Киргизии и показал высокую эффективность работы при значительных сбросных расходах, когда отвлечение наносов от водоприемника достигается за счет возбуждения поперечной циркуляции в зарегулированном подводящем русле. В Киргизии имеются построенные узлы ферганского типа на реках Куршаб, Чу, Кара-Унгур-Сай, Ак-Бура.

Водозаборные узлы бокового типа, как правило, состоят из бетонной плотины, промывника и водоприемника. В гидроузлах с боковым отводом воды в канал в качестве водоприемника применяют открытый шлюз-регулятор. Ось шлюза-регулятора располагается под прямым или тупым углом по отношению к направлению основного потока воды при подходе к гидроузлу.

В республике имеется два построенных боковых типа водозаборов на реках Ходжа-Бакирган и Иссык-Ата. В решетчатых водозаборах недопущение наносов в водоприемную галерею достигается за счет ее покрытия металлической решеткой или устройством перед галереей различных наносозахватных конструкций и пескогравиеловок.

Поток, проходя через решетку, проваливается в траншею, и донные наносы, размером более просветов решетки, поступают в нижний бьеф. Этот метод получил широкое применение в решетчатых водозаборах с донной галереей, построенных на горных реках Средней Азии, Кавказа, Казахстана. В Киргизии построены решетчатые водозаборы тирольского типа на реках Аспара, Аламедин, Кызыл-Суу.

В условиях Киргизии получили широкое применение улучшенные горные водозаборы, основанные на возбуждении в верхнем бьефе поперечного течения методом перераспределения расхода по ширине русла. На этом же принципе работают все водозаборные узлы с КЦП, которые расположены на горно-предгорных участках рек с уклонами дна от 0,01 до 0,05 и рассчитаны на пропуск паводковых расходов воды от нескольких десятков до 350 м3/с.

Расчетные расходы, забираемые в водоприемники, колеблются в пределах от 1,0 до 30 м3/с, все водозаборные узлы характеризуются различными параметрами основных элементов сооружений, но любой узел состоит из подводящего зарегулированного русла, щитового сброса, КЦП, промывника водоприемника и отводящего зарегулированного русла. Водозаборные узлы

V и VI групп построены на 85 реках Киргизии: Исфара, Сох, Талас, Кара-Коюн, Кок-Джерты, Атбаши, Карабалты и др.

Любой тип водозаборного узла предназначен для подачи расчетных расходов воды в каналы гидроэнергетических и оросительных систем Киргизии в соответствии с диспетчерским графиком водопотребления как при паводковых, так и при меженных расходах реки, с поддержанием постоянно расхода в отвод ±5% во всем диапазоне колебаний горизонта в реке. Назначение водозаборного узла сводится к следующему:

— создание благоприятных условий протекания потока во всех частях узла при свободном пропуске через водосливной фронт плотины внезапно нарастающих паводковых и суточных колебаний расходов реки;

— обеспечение благоприятного пропуска донных наносов, плавника, шуголедовых образований в нижний бьеф сооружения;

— измерение и учет сбрасываемой и подаваемой потребителю воды, гарантирующие плановую подачу воды в каналы;

— прекращение доступа воды в каналы на период ремонта, очистки наносов или во время аварий на системе;

— защита берегов и бьефов узла от опасных размывов и занесения наносами.

В Киргизии насчитывается около 800 оросительных систем, из них 500 имеют внутрихозяйственное значение, 300 — межхозяйственное, на которых построены инженерные головные водозаборные узлы разных типов. Ими орошается, в основном, 1,1 млн. га земель.

Каждый тип водозаборного узла имеет два вида связи составных частей: внутреннего и внешнего (см. таблицу 1):

— внутренняя — гидравлическая, по потоку, когда изменение технологических параметров (уровней, расходов воды, наносов и др.) на входе в объект приводит к общему взаимному возмущению между звеньями водозаборного сооружения;

— внешняя — по управлению сооружениями, проявляемая службой эксплуатации или системой автоматики, при решении задач водозабора очист-ки воды от наносов и защиты от аварий.

Обычно для осуществления водоподачи в

оросительную систему на водозаборных узлах техническими средствами поддерживаются гидравлические условия путем сложных технологических операций. Сам гидроузел является главным связующим звеном между режимом источника орошения и водопотребления на оросительной системе, в силу этого под функциональной структурой его управления понимается комплекс взаимосвязанных определенным образом взаимовлияющих составных частей соподчиненных и целенаправленных функционирующих технологических подсистем. Технологический процесс водозабора из горных рек обусловлен влиянием режимов уровней воды, спецификой колебаний ее расходов в многолетнем сезонном и суточном разрезах, характером нарастания и спада паводков, темпов и сроков их прохождения, соответствием водного режима реки режиму во-допотребления на оросительной системе.

Указанное обусловливает необходимость планирования управления технологическими процессами водозабора на принципах внедрения средств автоматики и телемеханики. Автоматизация повысит противоаварийную защиту, что дает значительный технико-экономический эффект. Внедрение на узлах России и странах СНГ эффективных противонаносных устройств с КЦП позволит защитить их от наносов, продлить срок службы и обеспечить гарантированную подачу расходов воды в систему в любом гидрологиче-

2. Гидроморфометрические характеристики горных рек Кыргызстана [5]

Характеристика Участок русла реки

потока высокогорный горный предгорный долинный

Продольный уклон от 0,05 от 0,01 от 0,05 от 0,001

до 0,40 до 0,05 до 0,01 до 0,0005

Тип руслового процесса глубинный глубинный глубинный и размыв

размыв размыв боковой размыв и заиление и заиление

Меандрированность устойчивые устойчивые неустойчивые неустойчивые

Пойменность реки 1,5 2 от 2 до 10 >10

Число Фруда >1,0 от 1 до 0,50 от 0,2 до 0,50 <0,20

Расходы воды, м3/сек. от 1 до 10 от 5 до 100 от 10 до 200 от 15 до 400

Ширина, м от 5 до 10 от 10 до 20 от 20 до 30 от 30 до 80

Глубина, м от 0,2 до 1,5 от 0,3 до 2 от 0,4 до 2,5 от 0,5 до 3

Скорость, м/сек. от 2 до 5 от 1,5 до 4,5 от 1 до 3,5 от 0,5 до 2

Интенсивность нарастания уровня воды от 0,05 до 12 от 0,03 до 6 от 0,01 до 2 от 0,001 до 0,5

в реке в пределах одних суток, см/сек.

Отношение ширины русла к средней от 3 до 10 от 10 до 20 от 20 до 30 от 30 до 50

глубине потока воды

Диаметр русловых отложений наносов, м от 0,2 до 2 от 0,1 до 1,5 от 0,005 до 0,8 от 0,01 до 0,4

Насыщенность потока донными наносами от 0,3 до 10 от 0,2 до 3 от 0,05 до 2 от 0,01 до 1,2

Насыщенность потока донными наносами, г/л от 0,3 до 10 от 0,2 до 3 от 0,05 до 2 от 0,01 до 1,2

Диапазон изменения отношения стока донных от 2,3 до 0,8 от 0,3 до 0,7 0,1 до 0,4 от 0,05 до 0,3

наносов к стоку взвешенных

Объем твердого стока за год, тыс. м3 от 5 до 30 от 10 до 50 от 20 до 150 от 30 до 350

Максимальная крупность влекомых наносов, м от 0,4 до 1 от 0,3 до 0,80 от 0,2 до 0,6 от 0,05 до 0,15

Средняя крупность влекомых наносов, м от 0,15 до 0,35 от 0,1 до 0,25 от 0,06 до 0,2 от 0,01 до 0,05

Насыщенность потока взвешенными 0,4 до 3 от 0,3 до 5 от 0,2 до 10 от 0,1 до 20

наносами, г/л

Насыщенность потока донными наносами, г/л от 0,2 до 10 от 0,15 до 50 от 0,10 до 2,5 от 0,05 до 1,25

3. Основные технико-экономические показатели

Наименование Черновская Г ородищенская Оренбургская

показателей оросительная система оросительная система оросительная система

Площадь орошения, га 5408 2506 3177

Способ полива Дождевание Дождевание Дождевание

Техника полива Дождевальные машины: Дождевальные машины Дождевальные машины

- «Фрегат» - 68 шт. ДДА-100 М - 21 шт. ДДА-100М - 10 шт.

- «Волжанка» - 15 шт. - «Волжанка» - 6 шт. - «Фрегат» - 25 шт.

- «Фрегат» - 4 шт. - «Волжанка» - 14 шт.

Тип водозабора Стационарные Стационарная Стационарная

электрифицированные электрифицированная электрифицированная

насосные станции на МК насосная станция на р. Урал насосная станция на р. Урал

Производительность, м3/сек. 3,11 2,7 2,7

Суммарный водозабор, 21,0 10,8 17

млн. м3

Рыбозащитное устройство Зонтичного типа Р0П-300 Р0П-300

Протяженность каналов, км:

- магистрального 15,8 16,8 78,4

- хозяйственных - 46,9 44,3

- трубопроводов 102 28,4

ском режиме реки [4—5].

По водохозяйственному использованию жидкого оттока наибольший интерес представляет зона, охватывающая горно-предгорные и долинные участки, на которых расположены все водозаборные узлы оросительных и гидроэнергетических систем Кыргызстана.

Высокогорный участок вследствие сложившихся топографических и геологических условий в данное время в основном не используется.

Для облегчения расчетов по определению объемов взвешенных и донных наносов приведены среднестатистические данные гидроморфометрических характеристик по рекам в табл. 2.

Малые горные реки с максимальными расходами воды от 25 до 100 м3/с и уклонами дна от 0,01 до 0,05 транспортируют в среднем за год до 60 тыс. м3 твердого стока. Максимальные значения диаметров частиц отдельных фракций наносов составляют от 30 до 100 мм.

Средние горные реки с максимальными расходами воды от 100 до 400 м3/с и уклонами дна от 0,005 до 0,01 транспортируют в среднем за год до 300 тыс. м3 твердого стока. Максимальные значения диаметров частиц фракций наносов составляет от 20 до 60 мм.

Анализ таблицы показывает, что гидравлические и наносные режимы горных рек весьма разнообразны и характеризуются большой изменчивостью на различных участках одной и той же реки, что является результатом сложного взаимодействия большого числа природных, метеорологических, почвенно-геоботанических, рельефных, антропогенных факторов. Основная

масса, порядка 60—90% от общего стока, переносится рекой во время паводка. Данные о наносах необходимы для назначения основных размеров противонаносных устройств на водозаборных узлах и сооружениях на каналах.

В Оренбургской области площадь орошаемых земель в 1990 г. достигала 86 тыс. га, в настоящее время составляет 65,1 тыс. га. Это около 1% от пашни. Из них полито в 2006 г. 24 тыс. га. Наиболее эффективно в области функционируют инженерные оросительные системы:

— Черновская оросительная система, для которой на р. Черной построен гидроузел емкостью водохранилища 52,7 млн. м3, с водовыпуском в магистральный канал и насосными станциями;

— Городищенская и Оренбургская оросительные системы с водозабором из р. Урала насосными станциями заглубленного типа с устройством подводящего канала.

Основные технико-экономические показатели приведены в табл. 3.

Считаем целесообразным положительный опыт Кыргызстана по строительству совершенных водозаборных узлов тиражировать на притоках бассейна р. Урала и многочисленных малых и средних реках России.

Литература

1. Алтунин, С.Т. Водозаборные узлы и водохранилища. М., 1964.

2. Данелия, Н.Ф. Водозаборные узлы на реках с обильными донными насосами. М., 1965.

3. Розанов, Н.Г. Гидротехнические сооружения. М., 1989.

4. Соболин, Г.В. Защита сооружений на реках и каналах от наносов. Фрунзе, 1968.

5. Соболин, Г.В. Опыт эксплуатации водозаборных узлов Киргизии. Фрунзе, 1985.