СПОСОБ ПРОПУСКА МОЛОДИ РЫБ ЧЕРЕЗ ГИДРОУЗЕЛ ПРИ ПОКАТНОЙ МИГРАЦИИ
METHOD TO LET YOUNG FISHES THROUGH WATERWORKS FACILITY IN CASE OF DOWNSTREAM MIGRATION

Изобретение относится к гидротехническому строительству, а именно к способу пропуска молоди рыб через подпорные сооружения при покатной миграции от мест рождения к местам нагула. Оно может быть использовано для пропуска молоди рыб через гидроузлы различного назначения.
Известен способ пропуска рыб через гидроузел, реализованный в лестничном рыбоходе [1, с.25, черт.3], заключающийся в разделении общего перепада на гидроузле на ряд локальных перепадов. Однако это не позволяет создать эффективное управляемое рыбоотводящее течение, которое могло бы отвести молодь рыб, подошедшую и скопившуюся перед плотиной в верхнем бьефе гидроузла, в безопасное место нижнего бьефа гидроузла. Кроме того, скорость течения в рыбоходе зависит от колебаний уровней воды в бьефах гидроузла, что негативно сказывается на условиях пропуска молоди рыб через гидроузел.
Наиболее близкими по достигаемому результату являются способ привлечения и пропуска рыбы из нижнего бьефа гидроузла в верхний бьеф [2] и его аналоги [3-6]. Способы заключаются в формировании по всей длине рыбоходного тракта управляемого водного потока, зависящего от разницы уровней верхнего и нижнего бьефов и вида пропускаемой рыбы. Управляемый водный поток создают в каждой камере рыбохода в результате подачи расхода воды в струеобразующие насадки, расположенные по периметрам вплывных отверстий, или непосредственно во вплывных отверстиях, или в автономных каналах, выполненных в поперечных разделительных стенках рыбохода. Струеобразующие насадки направляют в сторону верхнего бьефа для последующего формирования параллельных или под углом к оси вплывного отверстия рядов затопленных параллельных гидравлических струй, причем струи могут быть предварительно закрученными. Гидравлические струи, взаимодействуя между собой, создают гидравлическое сопротивление основному потоку, поступающему по рыбоходному тракту через камеры рыбохода из верхнего бьефа. Благодаря образованию гидравлического сопротивления перед вплывными отверстиями со стороны верхнего бьефа создают благоприятные условия для прохода рыбы через вплывное отверстие в сторону верхнего бьефа. Кроме того, общий средний напор на подпорное сооружение разбивают на равные части, при этом величины напоров воды, приходящихся на поперечные разделительные стенки рыбохода, устанавливают для каждой поперечной разделительной стенки рыбохода по отдельности. Причем забор воды, необходимый для формирования гидравлических струй по периметрам всех вплывных отверстий, осуществляют из камер рыбохода, куда эти получаемые струи направлены. А из верхнего бьефа в нижний бьеф транзитом через все вплывные отверстия рыбохода подают привлекающий поток, образованный дополнительным напором, таким образом, что скорости привлекающего потока в рыбоходном тракте устанавливают ниже сносящих, а во вплывных отверстиях - ниже бросковых скоростей. В этом случае оценку величины и направления скорости привлекающего потока дают с помощью мониторинга работы рыбохода. Эти способы позволят обеспечить более стабильный скоростной режим в рыбоходе при пропуске рыбы из нижнего бьефа гидроузла в верхний бьеф. Однако в случае пропуска молоди рыб из верхнего бьефа гидроузла в нижний бьеф данные способы не позволят получить эффективное рыбоотводящее течение для отвода молоди рыб из верхнего бьефа гидроузла в нижний бьеф. Поэтому данные способы в случае использования для пропуска молоди рыб через гидроузел при покатной миграции будут малоэффективными.
Целью изобретения является создание управляемого водного потока с оптимальными скоростными характеристиками для пропуска молоди рыб через гидроузлы различного назначения при покатной миграции.
Сущность изобретения заключается в том, что по всей длине рыбоходного тракта формируют управляемый водный поток, зависящий от разницы уровней верхнего и нижнего бьефов. Управляемый водный поток создают в каждой камере рыбохода в результате подачи расхода воды в струеобразующие насадки, расположенные по периметрам вплывных отверстий, или непосредственно во вплывных отверстиях, или в автономных каналах, выполненных в разделительных стенках, и направленные в сторону верхнего бьефа, с последующим формированием параллельных или под углом к оси вплывного отверстия рядов затопленных параллельных гидравлических струй, причем струи могут быть предварительно закрученными. Ряды гидравлических струй в результате совместного взаимодействия создают гидравлическое сопротивление основному потоку, поступающему по рыбоходному тракту через камеры рыбохода из верхнего бьефа, и тем самым благоприятных условий для прохода рыбы через вплывное отверстие. Благодаря управляемому водному потоку вовлекают в движение молодь рыб, подошедших и скопившихся перед плотиной в верхнем бьефе гидроузла, и направляют ее в рыбоходный тракт рыбохода, а затем выводят молодь рыб в безопасное место нижнего бьефа гидроузла. Величину скорости управляемого водного потока определяют по следующей формуле
,
ПОТОКА
где V - средняя скорость управляемого водного потока;
2
g - ускорение свободного падения (м/с);
Н - величина напора, приходящегося на разделительную стенку (м);
φ - безразмерный коэффициент, определяемый опытным путем;
0
v - начальная скорость истечения гидравлических струй из струеобразующих насадков (м/с);
- диаметр струеобразующих насадков (м);
Э
b - расстояние между осями гидравлических струй (струеобразующих насадков) в ряду (м);
n - число гидравлических струй в ряду;
Э
h - расстояние между плоскостями распространения (рядами) гидравлических струй (м).
Благодаря формированию параллельных или под углом к оси вплывного отверстия рядов затопленных параллельных гидравлических струй и созданию при совместном взаимодействии этих рядов струй гидравлического сопротивления основному потоку, поступающему по рыбоходному тракту через камеры рыбохода из верхнего бьефа, устанавливают оптимальную скорость управляемого водного потока. Величину скорости управляемого водного потока назначают из условий безопасности прохождения молодью рыб рыбоходного тракта и вплывных отверстий рыбохода. Это позволит обеспечить высокую эффективность способа и защитить молодь рыб от травм и гибели.
Решение поставленной задачи достигается путем реализации нового способа пропуска молоди рыб через гидроузел при покатной миграции. Графический материал, поясняющий сущность предлагаемого способа, представлен на следующих чертежах:
фиг.1 - схема размещения рыбохода в створе плотины гидроузла на виде в плане;
фиг.2 - схема конструкции вплывного отверстия, продольный разрез;
фиг.3 - схема работы рыбохода по пропуску молоди рыб при покатной миграции, продольный разрез.
Рыбоход (фиг.1) размещают в створе плотины 1 гидроузла и выполняют в виде открытого ступенчатого, наклонного или наклонно-ступенчатого водосливного лотка 2 (фиг.1,3) рыбоходного тракта рыбохода, соединяющего верхний бьеф с нижним бьефом гидроузла. По водосливному лотку 2 рыбоходного тракта устанавливают вертикальные поперечные разделительные стенки 3. Внутри разделительных стенок 3 выполняют вплывные отверстия 4, которые обрамляют потокоформирующим фартуком 5 (фиг.2). Под его прикрытием в галереях 6 размещают струеобразующие насадки 7, которые располагают под углом или параллельно к оси отверстия 4 и параллельно поверхности фартука 5. Струеобразующие насадки 7 питают от напорных коллекторов 8, которые в свою очередь соединены с насосами 9 или с верхним бьефом гидроузла при помощи водоводов 10 (фиг.3).
Способ пропуска молоди рыб через гидроузел при покатной миграции осуществляется следующим образом.
Во время покатной миграции молоди рыб, а так же при скоплении покатников перед плотиной 1 гидроузла в верхнем бьефе формируют управляемый водный поток 11 (фиг.1-3). Управляемый водный поток 11 вовлекает в движение молодь рыб из верхнего бьефа гидроузла и направляет ее в рыбоходный тракт 2 рыбохода, а затем выводит молодь рыбы в безопасное место нижнего бьефа гидроузла.
0
1
U0
Скоростной режим водного потока 11 регулируют с помощью гидравлических струй 12 (фиг.2). Для этого в систему струеобразующих насадков 7 вплывного отверстия 4 подают из раздающих коллекторов 8 воду. Причем струеобразующие насадки 7 направлены навстречу потоку 11 в водосливном лотке 2 рыбоходного тракта. В момент истечения воды через эту систему струеобразующих насадков 7 образуются гидравлические струи 12, имеющие некоторую начальную скорость V. На некотором расстоянии x от поперечной разделительной стенки 3 произойдет взаимодействие гидравлических струй 12. В результате чего образуется суммарный поток 13, с начальной осевой скоростью V, которую можно найти по формуле:
где  - начальная осевая скорость суммарного потока (м/с);
φ' - безразмерный коэффициент, определяемый опытным путем;
0
V - начальная скорость истечения гидравлических струй из струеобразующих насадков (м/с);
0n
d - диаметр струеобразующих насадков (м);
Э
b - расстояние между осями гидравлических струй (струеобразующих насадков) в ряду (м);
n - число гидравлических струй в ряду;
Э
h - расстояние между плоскостями распространения (рядами) гидравлических струй (м).
U
2
U
ОБЩ.
П.
При дальнейшем распространении суммарного потока 13 его осевая скорость V будет уменьшаться за счет пульсационных скоростей и скорости противотечения, зависящей от величины напора Н, приходящегося на поперечную разделительную стенку 3, со стороны верхнего бьефа (фиг.2). На некотором расстоянии х от разделительной стенки 3 осевая скорость распространения суммарного потока V примет значение, близкое к нулю, и поток в направлении оси Х вплывного отверстия 4 затихнет. Т.е. общее давление P со стороны верхнего бьефа сравняется с давлением P, создаваемым суммарным потоком. В этом случае произойдет образование зоны «частично равных давлений» 14, которая позволит осуществить беспрепятственный пропуск молоди рыб при покатной миграции через вплывное отверстие 4 из верхнего бьефа в нижний бьеф.
ОБЩ.
Общее давление P со стороны верхнего бьефа определяется из выражения
П.
а давление P - создаваемым суммарным потоком - из выражения
3
где р - плотность воды (кг/м);
2
g - ускорение свободного падения (м/с);
Н - величина напора со стороны верхнего бьефа (м);
h - глубина затопления вплывного отверстия (м);
0
Р - давление на свободной поверхности (Па);
U
V - скорость распространения суммарного потока (м/с).
Другими словами, мы в праве приравнять правые части выражений (2) и (3), т.е. получим . После сокращений и приведения подобных, последнее выражение примет вид:
U
где V - скорость распространения суммарного потока (м/с);
2
g - ускорение свободного падения (м/с);
Н - величина напора со стороны верхнего бьефа (м).
max
2
max
2
1
max
Изложенные выше рассуждения об условии создания зоны «частично равных давлений» 14 (фиг.2) не учитывают влияния эжектирующих способностей гидравлических струй 12 на общую картину нейтрализации встречного течения. Данное влияние является существенным, и поэтому его нельзя игнорировать. Оно заключается в следующем. Затопленные гидравлические струи 12, двигаясь в массе жидкости тех же физических свойств, будут всасывать и будут вовлекать в движение частицы жидкости окружающей их среды. За счет этого будет происходить эжекция некоторого объема воды с нижнего бьефа в верхний бьеф. Это будет продолжаться до тех пор, пока величина напора Н со стороны верхнего бьефа не достигнет какого-то максимального значения H. С увеличением величины Н расстояние х до зоны «частично равных давлений» 14 будет уменьшаться и при значениях Н=H расстояние х сравняется с расстоянием x, т.е. наступит равновесие (при условии, что начальные скорости истечения гидравлических струй ). В случае когда Н>Н (величина давления со стороны верхнего бьефа будет превышать гидравлический упор суммарного потока 11) происходит обратный процесс: избыток воды движется со стороны верхнего бьефа в нижний бьеф. Таким методом создают и регулируют скоростной режим рыбоотводящего потока 11 в верхнем бьефе гидроузла и в водосливном лотке 2 рыбохода. Стало быть, зону «частично равных давлений» 14 в первом приближении можно рассматривать как начальное сечение суммарного потока 13.
С учетом внесенных замечаний математическое условие (4) образования зоны «частично равных давлений» 14 примет вид:
где начальную осевую скорость суммарного потока  находят из выражения (1).
Следовательно, математическое условие (5) образования зоны «частично равных давлений» 14 доказывает возможность беспрепятственного пропуска молоди рыбы при покатной миграции через вплывное отверстие 4 из верхнего бьефа гидроузла в нижний бьеф.
Для организации отвода молоди рыб при покатных миграциях из верхнего бьефа гидроузла по водосливному лотку 2 рыбоходного тракта в безопасное место нижнего бьефа необходимо наличие управляемого водного потока 11. Для его формирования на всех разделительных стенках 3 рыбохода создают дополнительные напоры ΔH. Причем их величины для всех разделительных стенок 3 в процессе работы рыбохода устанавливают одинаковыми [2]. Величина дополнительного напора ΔH на разделительную стенку 3 определяется из следующего выражения:
где ΔH - величина дополнительного напора, приходящегося на разделительную стенку;
H - величина напора, приходящегося на разделительную стенку (м);
- начальная осевая скорость суммарного потока (м/с);
2
g - ускорение свободного падения (м/с).
Таким образом, дополнительный напор ΔH является разницей между величиной напора на разделительную стенку 3 и напором, создаваемым суммарным потоком 13 на этой же разделительной стенке 3 (фиг.2).
Тогда скорость управляемого водного потока, взяв за основу известное выражение для определения скорости истечения жидкости из отверстий [7], можно определить по следующей формуле:
ПОТОКА
где V - средняя скорость управляемого водного потока;
С
С
φ - скоростной коэффициент, устанавливаемый опытным путем (по результатам экспериментальных исследований), рекомендуем φ=0,5);
2
g - ускорение свободного падения (м/с);
ΔН - величина дополнительного напора, приходящегося на разделительную стенку.
Объединив выражения (1), (6) и (7) в одну зависимость и упростив ее, получим следующую формулу для вычисления скорости управляемого водного потока в зависимости от геометрии расположения струеобразующих насадков 7, начальных характеристик истечения гидравлических струй 12, а так же напоров, приходящихся на разделительные стенки 3 рыбохода:
ПОТОКА
где V - средняя скорость управляемого водного потока;
2
g - ускорение свободного падения (м/с);
Н - величина напора, приходящегося на разделительную стенку (м);
φ - безразмерный коэффициент, определяемый опытным путем;
0
V - начальная скорость истечения гидравлических струй из струеобразующих насадков (м/с);
- диаметр струеобразующих насадков (м);
Э
b - расстояние между осями гидравлических струй (струеобразующих насадков) в ряду (м);
n - число гидравлических струй в ряду;
Э
h - расстояние между плоскостями распространения (рядами) гидравлических струй (м).
Величина безразмерного коэффициента φ зависит от множества факторов, основными из которых являются размеры вплывного отверстия 4 и конфигурация расположения струеобразующих насадков 7. Как показывают экспериментальные исследования, значения безразмерного коэффициента φ в достаточной степени точности для решения практических задач изменяются в диапазоне 0,00001-16,00.
ПОТОКА
0
Величину скорости управляемого водного потока V необходимо устанавливать в зависимости от стадии развития покатников и биологического вида молоди рыб, подлежащих пропуску через плотину гидроузла, а так же от гидрологической обстановки в верхнем бьефе гидроузла. Здесь необходимо соблюдать условия безопасности прохождения молодью рыбы рыбоходного тракта и вплывных отверстий рыбохода. Для этого, кроме скоростного режима управляемого водного потока, начальную величину скорости V истечения гидравлических струй 12 из струеобразующих насадков 7 принимают намного меньшей 10 м/с. Помимо этого конструкцией вплывного отверстия 4 (фиг.2) предусмотрено наличие потокоформирующего фартука 5, который защитит молодь рыбы от высокоскоростных участков гидравлических струй 12.
Рыбоход для пропуска молоди рыб при покатных миграциях работает следующим образом.
ПОТОКА
ПОТОКА
В период массовой покатной миграции молоди рыб, а так же при скоплении ее перед плотиной 1 гидроузла в верхнем бьефе подают необходимый расход воды в водосливной лоток 2 рыбоходного тракта с одновременным включением в работу систем струеобразующих насадков 7 вплывных отверстий 4 (фиг.1-3). Путем изменения начальных характеристик истечения гидравлических струй 12 формируют управляемый водный поток 11. Управляемый водный поток 11 вовлекает в движение молодь рыб из верхнего бьефа гидроузла и направляет ее в рыбоходный тракт 2 рыбохода, а затем выводит молодь рыбы в безопасное место нижнего бьефа гидроузла. Скорость управляемого водного потока в зависимости от геометрии расположения струеобразующих насадков 7, начальных характеристик истечения гидравлических струй 12, а так же напоров, приходящихся на разделительные стенки 3 рыбохода, определяют, используя выражение (8). Величину скорости управляемого водного потока V необходимо назначать из условия безопасности прохождения молодью рыб рыбоходного тракта и вплывных отверстий рыбохода. Но в то же время управляемый водный поток 11 должен создать такое рыбоотводящее течение, которое способно отвести молодь рыб от водосливной плотины 1 гидроузла. Кроме того, управляемый водный поток 11 следует создавать в той толще воды, где наблюдается наибольшее скопление покатников рыб. При необходимости создают несколько управляемых водных потоков в разных частях верхнего бьефа гидроузла и на разной глубине. Помимо того, имеют возможность регулирования величины скорости управляемого водного потока V за счет изменения начальных параметров истечения гидравлических струй 12 при изменении уровней бьефов гидроузла, гидрологической обстановки в верхнем бьефе гидроузла или же видового состава молоди рыб, подлежащих пропуску.
Предлагаемый способ пропуска молоди рыб при покатных миграциях позволит создать управляемый водный поток 11, который в максимальной степени способствует свободному и безлопастному скату молоди рыб через плотины гидроузлов различного назначения.
Источники информации
1. Строительные нормы и правила: Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения: СНиП 2.06.07-87: Утв. Гос.строит.ком. СССР 14.04.87: Срок введ. в действие 01.01.88. - Изд. офиц. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1987. - 34 с.
8
2. Пат. 2342485 РФ, МПК Е02В 8/08. Способ привлечения и пропуска рыбы из нижнего бьефа гидроузла в верхний бьеф / О.Г.Введенский (РФ). - №2006141959/03; Заявлено 27.11.2006; Опубл. 27.12.2008, Бюл. №36. - 14 с.
8
3. Пат. 2335600 РФ, МПК Е02В 8/08. Способ привлечения и пропуска рыбы из нижнего бьефа гидроузла в верхний бьеф и рыбоход его осуществляющий / О.Г.Введенский (РФ). - №2006143890/03; Заявлено 11.12.2006; Опубл. 10.10.2008, Бюл. №28. - 12 с.
8
4. Пат. 2339760 РФ, МПК Е02В 8/08. Способ работы рыбохода для пропуска рыб из нижнего бьефа гидроузла в верхний бьеф (Варианты) / О.Г.Введенский (РФ). - №2007110005/03; Заявлено 19.03.2007; Опубл. 27.11.2008, Бюл. №33. - 15 с.
8
5. Пат. 2339761 РФ, МПК Е02В 8/08. Способ привлечения рыбы в рыбоход и рыбоход его осуществляющий / О.Г.Введенский (РФ). - №2007110115/03; Заявлено 19.03.2007; Опубл. 27.11.2008, Бюл. №33. - 11 с.
7
6. Пат. 2236501 РФ, МПК Е02В 8/08. Способ пропуска рыбы через рыбоходный тракт рыбохода и рыбоход его осуществляющий / А.А.Чистяков (РФ). - №2003114286/03; Заявлено 14.05.2003; Опубл. 20.09.2004, Бюл. №26.
7. Осипов П.Е. Гидравлика, гидравлические машины и гидропривод: Учеб. пособие. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Лесная промышленность, 1981. - 424 с.