Способ регулирования водного стока в руслах рек для предупреждения наводнений
METHOD FOR REGULATING WATER FLOW IN RIVER CHANNELS FOR PREVENTING FLOODS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к гидротехническим сооружениям для защиты природы, в частности, к противопаводковым мероприятиям, и касается предупреждения катастрофических последствий для людей, сохранения имущества, береговых сооружений, посевов при резком возрастании водной массы в реке в период весеннего половодья или выпадения чрезмерных осадков. Такие случаи бывают в весенние периоды, это приводит к повышению уровня воды в русле реки, переполнению русла и выходу водной массы в населенные пункты или поля с их затоплением, что приводит к затоплению жилых районов с потерей имущества, нанесение ущерба народнохозяйственным объектам, посевам и живности.
Уровень техники
Известны способы предупреждения затоплений территорий путем регулирования речного стока, для чего создают временные водохранилища, в которых происходит аккумулирование водных масс во время паводка.
Известен способ защиты территории от затопления в речных бассейнах путем перетока водных масс во временные водохранилища, которые образуют с помощью дамб-запруд, при этом дамбы-запруды размещают на притоках реки, по которым ожидается наступление паводка, и располагают их последовательно одна за другой, каждую из которых выполняют в виде каменной фильтрующей насыпи с саморегулирующимся водосбросом, каменная насыпь располагается при этом на крутом каньоне реки (патент РФ №2389845, МПК Е02В 3/00, 20.05.2010).
Известен способ предотвращения паводкового наводнения, включающий создание запруд в виде резервуаров на этапе таяния снега в снегу вдоль реки в виде продольно-вытянутых, расположенных параллельно руслам рек и ярусно расположенными. Во время поводковых стоков происходит переток водных масс в созданные резервуары, накопление и их временное хранение (Патент РФ №2333312, МПК Е02В 3/00, 10.09.2008).
Известен способ регулирования паводковых стоков с помощью образования водохранилища и перераспределении стока из многоводных сезонов на маловодные путем сезонного накопления воды в водохранилище с последующим водоотбором в необходимом объеме в соответствии с водопотреблением (Плешков Я.Ф. Регулирование речного стока. Водохозяйственные расчеты. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975, стр. 106-108). Регулирование речного стока в водохранилище обеспечивает также и надежную защиту от затопления нижерасположенных территорий в периоды паводков и половодий.
Известен способ регулирования стока водных масс, по которому на всей площади водосброса выявляются участки формирования паводкового стока, и на них создаются индивидуальные системы регулирования стока реки, для чего в естественных котловинах и других понижениях местности, отстоящих на некотором удалении от реки, или в руслах рек с помощью плотин создают оптимальное количество водохранилищ, предназначенных для приема паводковых вод, отстоящих на некотором удалении от реки, или расположенных в руслах рек (Патент РФ №2116401, МПК Е02В 3/02, 27.07.1998)
К основным недостаткам методов регулирования речных стоков путем создания временных хранилищ можно отнести следующее:
- высокая стоимость строительства водохранилища, при которой создание водохранилищ только для борьбы с паводками становится нецелесообразным, тем более что полностью не исключается формирование на площади водосбора ниже створа плотины расходов воды, обусловливающих выход воды на пойму и затопление территории;
- существенный объем отчуждения земель, в том числе лесных массивов и сельскохозяйственных угодий, что значительно изменяет экологическую обстановку территории;
- на отдельных участках водохранилища воды его застаиваются, что приводит к вероятному заболачиванию и возникновению источника неблагоприятной экологической обстановки;
- водная масса способна разрушить все гидротехнические сооружения при их переполнении;
- на данной территории полностью нарушается рельеф местности;
- при переполнении водохранилища регулирование теряет смысл;
- сложность поддержания постоянной пропускной способности плотин, т.к. возможен занос пропускных отверстий плотин крупными предметами несущих потоком;
- сложностью поддержания постоянной емкости водохранилищ в связи с тем, что в процессе их эксплуатации не исключается постепенное заиление и занесение крупными наносами.
Известны способы для регулирования речного стока с целью предупреждения затопления путем создания поперечных перекрытий русел рек с последующей организацией разгрузки русла путем забора и перекачки части расходов водной массы реки.
Известен способ для снижения или устранения воздействия наводнения путем обеспечения возможности регулировки уровня воды в реке при любой ее прибыли, для чего осуществляют разгрузку русла реки забором части ее расходов. Для этого в устье реки устанавливают полотнища с поплавковыми элементами на верхнем краю и закреплением на нижнем краю к донному грунту, а со стороны реки устанавливают шесты, которые прикрепляются к полотнищу, после чего осуществляют перекачку водной массы по течению реки (Патент РФ №2135687, МПК Е02В 3/00, 27.08.1999).
Известен способ, по которому используется устройство предотвращения последствий наводнения, содержащего береговую дамбу с возможностью перекрытия основного русла реки. Береговая дамба состоит из трех частей: две части расположены по берегам реки, вдоль ее основного русла, а третья, основная, жестко соединяет эти две части перпендикулярно руслу реки. Основная часть береговой дамбы состоит из двух оппозитно расположенных постоянных щитов прямоугольной формы и жестко соединенных с частями дамбы, расположенных по берегам, а в проеме расположен центральный быстровозводимый щит. Техническим результатом эксплуатации является повышение эффективности мероприятий по предотвращению последствий наводнения (Патент РФ №2615343, МПК Е02В 3/04, Е02В 3/10, 04.04.2017).
Недостатками известных конструкций с поперечным перекрытием русел рек является сравнительно невысокая эффективность мероприятий по предотвращению последствий наводнения.
Известны способы для предотвращения последствий наводнений, по которым снижение последствий наводнения достигается за счет повышения расхода водной массы.
Известен способ для предотвращения последствий наводнений за счет повышения расхода водной массы, которое осуществляется за счет увеличения скорости ее, для чего в русле реки устанавливают суда с работающими двигателями. Суда закрепляются на месте установки по течению реки, а между судами и между судами и береговой линией по ширине реки закрепляются заслонки выше гребных винтов на уровне зеркала водной среды выше по течению реки (Патент РФ №2139971, МПК Е02В 3/00, 20.10.1999).
Известен способ для снижения воздействия наводнения, по которому на водную среду воздействуют направленными взрывами вниз по течению реки. Взрывы осуществляют в придонной части реки и ее нижнем течении. Способ позволяет увеличить скорость движения водной массы, ее расход и, следовательно, предотвратить выход ее за берега, а также производить углубление донного ложа (Патент РФ №2135688, МПК Е02В 3/06, 27.08.1999).
Известен способ организации береговых водосбросов, предназначенных для пропуска паводковых расходов в нижний бьеф при заданных расчетных уровнях воды в верхних бьефах. Организация водосбросов может осуществляться через закрытые трубчатые водосбросы, в состав которых входит: головная часть, оборудованная затворами; донная труба, укладываемая в грунт основания; выходной оголовок с устройствами для гашения энергии потока. В зависимости от пропускной способности их выполняют с различной компоновкой головной части и сечением донной трубы. (Ляпичев Ю.П. Гидротехнические сооружения. Учебное пособие. - М.: РУДН, 2008, с. 246-259, рис. 7.1-7.19) Данный способ служит для регулирования уровня воды в верхних бьефах, примыкающих к низко- и средне-напорным гидроузлам, поэтому не может быть использован для защиты от наводнений, которые проявляются на открытых участках рек, не имеющих каких-либо гидротехнических сооружений.
Также известен способ организации передачи водной массы от водозаборов к определенному месту с помощью водопроводящих сооружений. Среди прочих в качестве таких сооружений используют закрытые трубопроводы, представляющие собой искусственные закрытые русла из различных материалов с разнообразной формой поперечного сечения, уложенные на земле, под землей или над землей на опорах (Субботин А.С. Основы гидротехники. - Ленинград: Гидрометиоиздат, 1983, с. 132-137). В этом способе трубопроводы используют для переброски воды в заданные пункты с целью доставки ее на объекты гидроэнергетики, водоснабжения или ирригации. Описание применения данного способа для отвода части водной массы из реки с целью предупреждения наводнения не приводится.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому эффекту является известный способ регулирования стока воды в системе рек водосбора для предупреждения наводнений (Патент РФ №2130102, МПК 6 Е02В 3/00, 10.05.1999), заключающийся в том, по линии тока в реке последовательно, по крайней мере, в одну колонну устанавливают погружные насосы, при этом производительность насосов увеличивается к устью. Использование данного технического решения позволяет произвести активное воздействие на расход водной массы для устранения переполнения водохранилища.
Описанный способ регулирования стока водных масс имеет следующие недостатки:
- работа погружных насосов, установленных непосредственно в реке при условии повышения производительности нижерасположенных насосов по отношению к вышерасположенным создает ускоряющее движение, которое может привести к размытию русла реки и тем самым исказить в дальнейшем естественное течение реки на данном участке с изменением формы береговой линии;
- крепление погружных насосов на плотах, которые удерживаются тросами на береговых креплениях, является ненадежным и может быть повреждено или сорвано предметами, которые несет река во время весенних паводков: крупные льдины, фрагменты деревьев, элементы прибрежных построек, смытых потоками реки;
- наличие удерживающих плотов на поверхности реки и системы тросов, их удерживающих, может привести к частичному перекрытию русла реки и тем самым способствовать образованию заторов льда во время схода ледяного покрова.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности регулирования уровня воды в реке при любой ее прибыли и предупреждение розлива реки с переходом в наводнение. Поставленная задача достигается тем, что выявляют участок реки, подверженного затоплению, и на беговой полосе вдоль всего участка создают систему обводных трубопроводных магистралей, уложенных под землей или на земле на спланированной и укрепленной поверхности. Система включает параллельно уложенные ряды трубопроводных магистралей, оснащенных насосными станциями, расположенными на расчетном расстоянии по длине для создания напорного движения воды.
Выполнение способа может быть осуществлено с размещением всей системы в подземной части береговой линии (фиг. 1) с необходимым устройством укрепляющих траншей для укладки трубопроводов и наличием коллекторных колодцев 1 для размещения насосных станций, обеспечивающих доступ к их техническому обслуживанию.
Выполнение способа может быть осуществлено с размещением системы обводных трубопроводных магистралей на поверхности береговой линии (фиг. 2) с размещением трубопроводных магистралей на бетонных анкерных опорах 2 с подъемом на высоту 0,5-1,0 м относительно поверхности берега для обеспечения доступа и технического обслуживания.
Выполнение способа может быть осуществлено с расположением системы обводных трубопроводных магистралей на подготовленных эстакадах 3 (фиг. 3), размещенных на расчетном расстоянии от береговой линии и обеспечивающих высоту подъема обводных магистралей на уровень, не препятствующий свободному доступу к береговой линии. Насосные станции располагают на эстакадах или на поверхности береговой линии реки.
Количество трубопроводных магистралей 4, входящих в систему, выбирают из расчета возможности удовлетворения требований по пропускной способности отводимых вод в обход основного русла реки. В верхней части реки каждую трубопроводную магистраль сообщают с руслом реки при помощи глубинных водозаборов 5, работающих в напорном гидравлическом режиме, соединенных с насосными станциями 6 и оборудованными затворами для регулирования пропуска воды. В схеме глубинного водозабора отверстие для отвода воды располагают в русле реки на глубине 0,5-1,0 м от отметки дна и оснащают защитной решеткой, чтобы в процессе забора воды не происходило попадания в него донных наносов (песок, иловые отложения, камни и т.п.). В нижней части реки обводные магистрали имеют трубчатые водосбросы 7, соединяющие их с руслом для возврата водной массы в реку вниз по течению, где опасность затопление разлива не существует. Обязательным условием является распределение водосбросов из разных рядов обводных магистралей по длине русла реки, для обеспечения равномерного возврата воды, что предупреждает вероятность разлива реки в нижней части реки после опасного участка. Трубчатые водосбросы оснащают односторонними обратными клапанами для предупреждения входа водной массы в систему с обратной стороны и устройствами для гашения энергии потока.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен вид в изометрии, демонстрирующий размещение системы обводных трубопроводных магистралей для отвода водной массы в подземной части береговой линии. На фиг. 2 представлен вид в изометрии системы обводных трубопроводных магистралей при размещении на наземной части береговой линии, непосредственно на поверхности берега. На фиг. 3 представлен вид в изометрии размещения системы обводных трубопроводных магистралей при расположении на наземной части береговой линии выше уровня земли с размещением насосных станций и трубопроводных магистралей на эстакадах, состоящих из ряда однотипных опор и пролетов, обеспечивающих доступ к береговой линии для людей и транспорта.
Осуществление изобретения
Вдоль береговой линии на расчетном удалении от русла реки создают систему обводных трубопроводных магистралей, состоящую из глубинных водозаборов 4, трубопроводных магистралей 5 и трубчатых водосбросов 7. Глубинные водозаборы работают в напорном гидравлическом режиме при соединении с насосной станцией 6, смонтированной в коллекторном колодце 1 при подземном размещении трубопроводной магистрали, либо в коллекторной кабине 8 при размещении трубопроводной магистрали на поверхности земли. В случае повышения уровня воды в русле реки до опасного уровня включают в работу насосные стации, тем самым обеспечивают отвод избыточной водной массы через глубинные водозаборы 4 и подачу ее насосами в трубопроводные магистрали 5. Водозаборное отверстие глубинных водозаборов располагают в русле реки на 0,5-1,0 м от отметки дна, чтобы предотвратить попадания в него донных наносов. Кроме того, водозаборное отверстие оснащают решеткой для задержания крупных предметов, которые могу присутствовать в придонной части. Кроме того, глубинные водозаборы оборудуют затворами для регулирования пропуска воды и предотвращения поступления воды в систему в нерабочие периоды. Вдоль береговой линии на протяжении опасной зоны подтопления укладывают трубопроводные магистрали 5. Отводимую водную массу транспортируют по длине магистралей с помощью промежуточных насосных станций вниз по течению реки в обход основного русла. Магистрали состоят из отдельных трубных сегментов, при этом могут иметь линейную, а также криволинейную прокладку в зависимости от формы русла реки.
По длине каждой водопроводной магистрали последовательно размещают насосные станции 6. Расстояние между насосами должно быть минимальным, чтобы обеспечить более эффективный отвод воды из русла. Расчетное расстояние должно быть меньше, чем изменение скорости водной массы в магистрали по ходу течения на 10-15% по отношению к расходу на выходе и входе следующего насоса.
На заключительном отрезке обводных трубопроводных магистралей подсоединяют трубчатые водосбросы 7, по которым производят возврат водной массы в русла реки вниз по течению. Трубчатые водосбросы оснащают односторонними обратными клапанами для предупреждения входа водной массы в систему с обратной стороны и устройствами для гашения энергии потока. Выходные концы водосбросов располагают в русле реки и делают их загнутыми с ориентацией по направлению основного течения на данном участке. При этом выходные концы размещают в зоне максимальных скоростей движения воды в русле реки на 0,5-1,0 м от отметки дна.
В сезонные периоды в случае установления факта увеличения потока водной массы и повышения уровня реки до опасной отметки подключают питание насосов насосных станций 6. Запуск насосов обеспечивает ввод в работу глубинных водозаборов и начало отвода из русла реки объема водной массы для предупреждения накопления опасного количества вод. Таким образом, часть общего потока реки откачивается и нагнетается в трубопроводные магистрали 5, по длине которых подается вниз по течению реки в обход участка возможного подтопления. По длине следования водной массы через трубопроводные магистрали подключают дополнительные насосные станций 9 и обеспечивают равномерную скорость движения на протяжении всей магистрали. Регулировкой производительности насосов достигают снижения уровня воды в русле реки и поддержание его на безопасной для розлива отметке, что приведет к стабилизации паводковой ситуации. Отобранная водная масса следует по трубопроводным магистралям в обход опасного участка и возвращается обратно в русло реки в нижней части течения. Возврат потоков водной массы происходит через трубчатые водосбросы 7 с распределением точек сброса по длине русла реки. Распределение точек сброса водной массы предотвращает возможное повышение уровня реки в нижней части реки и создает благоприятные условия для распределения потока реки по длине ее русла.
Система содержит одну или несколько обводных трубопроводных магистралей, каждая из которых имеет собственный глубинный водозабор, распределенные по длине насосные станций и трубчатый водосброс. Совокупная работа магистралей позволяет добиваться регулирования отвода образующейся на время формирования поводкового стока водной массы из реки в строго определенном количестве и равномерного распределения потоков в нижней части русла. Количество обводных трубопроводных магистралей определяют на этапе проектирования системы в зависимости от потребного отвода количества водной массы в период наибольшего накопления и создания угрозы затопления.
Обязательным является увеличение производительности насосов на всем протяжении трубопроводных магистралей от места забора до места возврата водной массы в русло реки, чтобы создать равномерность потока и обеспечить компенсацию потери энергии движения воды в трубопроводе в результате гидравлического сопротивления, оказываемого стенками труб. Возможен подбор насосов из существующих в химической, нефтяной промышленностях с тем, чтобы добиться набора необходимой суммарной мощности с подбором требуемого расхода отбираемой воды на участке возникновения подтопления. По сравнению с ущербом, который наносит наводнение, такой способ позволит сохранить материальные ценности при многократном использовании насосов разной мощности только во время паводка, в течении 10-12 дней.
Таким образом, достигается поставленная задача - обеспечение возможности регулирования водного стока в руслах рек на опасных участках паводкового наводнения и регулирования уровня воды в реке при любой ее прибыли. Создается возможность регулируемого отбора водной массы в необходимом количестве в течение продолжительного периода путем подключения в работу одной или нескольких обводных трубопроводных магистралей и перекачивание расчетного объема водной массы в обход участка подтопления.
Источники информации:
1. Патент РФ №2389845, МПК Е02В 3/00, 20.05.2010.
2. Патент РФ №2333312, МПК Е02В 3/00, 10.09.2008
3. Плешков Я.Ф. Регулирование речного стока. Водохозяйственные расчеты. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975, стр. 106-108.
4. Патент РФ №2116401, МПК Е02В 3/02, 27.07.1998
5. Патент РФ №2135687, МПК Е02В 3/00, 27.08.1999
6. Патент РФ №2615343, МПК Е02В 3/04, Е02В 3/10, 04.04.2017
7. Патент РФ №2139971, МПК Е02В 3/00, 20.10.1999
8. Патент РФ №2135688, МПК Е02В 3/06, 27.08.1999
9. Ляпичев Ю.П. Гидротехнические сооружения. Учебное пособие. - М.: РУДН, 2008, с. 246-259, рис. 7.1-7.19.
10. Субботин А.С. Основы гидротехники. - Ленинград: Гидрометиоиздат, 1983, с. 132-137.
11. Патент РФ №2130102, МПК 6 Е02В 3/00, 10.05.1999.