ТРУБЧАТЫЙ ВОДОСБРОС (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к гидротехнике, а именно к закрытым водосбросам и может быть использовано для регулирования уровня воды в водоемах грозящих наводнением, например на озере Сарез в Таджикистане, а также а также для переброски паводковых вод реки Иртыш в Аральское море. Технической задачей изобретения является снижение материальных затрат и затрат энергоносителей при одновременном обеспечении эффективного водосброса в условиях, горного рельефа местности, в данном случае Усойского завала на озере Сарез и больших расcтояний, например, на реках Европы и Азии, не позволяющих достигать необходимого результата другими известными способами и устройствами известными на сегодняшний день.
Известна система подземного карьерного водоотлива, содержащая дренажные, водосбросные и водоотливные скважины, расположенные под дном карьера, центробежный насосный агрегат с элементами для обеспечения подачи электроэнергии, расположенный в водоотливной скважине, нагнетательный патрубок, которого соединен с нагнетательной трубой, а всасывающий патрубок соединен с всасывающей трубой, заглубленной в водосборник (Защита карьеров от воды. С.К.Абрамов, М.С.Газизов, В.И.Костенко. - М.: Недра, 1976, с.209-211).
Недостатком данной системы являются высокие трудовые и материальные затраты, вызванные необходимостью бурения большого количества подземных скважин под дном озера, при помощи которых и осуществляются сброс вод за пределы в данном случае Усойского завала.
Наиболее близкими по технической сущности к заявляемому изобретению является Водоспуск-сифон А.Э.Маттисен. (Гидротехника и мелиорация в рыбоводстве. Высшая школа 1965, стр.95, 97, 98, рис 34б) состоящий из трубопровода, по которому вода идет через дамбу самотеком при скорости тем большей, чем больше разница между высотой верхнего и нижнего бьефа.
Недостатками этого устройства являются невозможность его применения на озере Сарез из-за высокого Усойского завала высотой сорок пять метров. При попытке применения устройства А.Э.Маттисена например на озере Сарез, устройство не сможет выполнять техническую задачу, а именно переброс больших объемов вода со скоростью водотока 30 и более метров в секунду. На реках Европы это устройство неприменимо из-за его неработоспособности в условиях больших расстояний, неровной местности и отсутствия в устройстве конструкционных деталей и механизмов позволяющих выполнять поставленную техническую задачу.
Технической задачей изобретения является регулируемый переброс огромных масс воды на большие расстояния с минимальными энергетическими затратами.
3
Поставленная задача обеспечивается тем, что водосброс содержит основную трубу с входным и выходным оголовками, которые снабжены запорной арматурой, а в самой верхней части трубы установлен люк-водоприемник для наполнения трубопровода водой перед запуском водосброса в работу. После наполнения трубопровода водой люк герметично закрывается. Запорная арматура служит для возможности заполнения всего трубопровода водой, что является главным условием запуска водосброса в работу. Верхний бьеф расположен выше нижнего бьефа относительно уровня моря на высоту, достаточную для того, что бы всю работу по перебросу воды в предлагаемой системе водосброса через естественные преграды, в данном случае через Усойский завал, будет выполнять сила земной гравитации. При разнице высоты между верхним и нижним бьефом в 210-220 метров земная гравитация способна развить скорость водотока внутри трубопровода до скорости свободного падения тела равняющейся для воды заключенной в трубопровод шестьдесят метров в секунду. Цифра 210 метров является высотой, при которой тело с плотностью 1 г/см(плотность воды) развивает максимальную скорость при свободном падении.
При условии свободного падения скорость водотока в трубопроводе будет равна:
1-я секунда=10 метров.
2-я секунда=20 метров.
3-я секунда=30 метров.
4-я секунда=40 метров
5-я секунда=50 метров.
6-я секунда=60 метров, что является максимальной скоростью свободного падения для воды заключенной в трубопровод.
При сложении этих цифр получается 210 метров.
(Есть вероятность, что скорость водотока будет больше чем 60 м/сек, потому что шестьдесят метров в секунду даны для свободного падения тела в атмосфере, а в трубопроводе атмосферы нет. В условиях отсутствия атмосферы скорость водотока будет выше). Трубопровод диаметром сто сантиметров способен перекачивать воду со скоростью пятьдесят кубических метров в секунду. Это вычисляется по формуле, где площадь сечения трубы 0,8 кв.метра умножается на скорость водотока 60 метров в секунду, что равняется 48 куб. метров в секунду, и при этом не используются насосы, не тратится горючее и электроэнергия,а всю работу по перекачке воды через естественные преграды выполняет земная гравитация.
Изобретение поясняется чертежом где изображен общий вид трубчатого водосброса на озере Сарез, где 1 - основная труба, 2 - оголовок верхнего бьефа, 3 - оголовок нижнего бъефа, 4 - запорная арматура оголовка верхнего бьефа, 5 - запорная арматура оголовка нижнего бьефа, 6 - водоприемный кран верхней части трубопровода, 7 - водоем (озеро Сарез), 8 - Усойский завал. Чертеж сделан схематично и без соблюдения масштаба.
Водосброс работает следующим образом.
1. Озеро Сарез.
Конструкция представляет собой трубопровод 1 диаметром, например, сто сантиметров. Водозаборный оголовок 2 трубопровода установлен в водоеме 7, далее трубопровод поднимается на Усойский завал 8, пересекает его и спускается в русло реки, где водовыпускной оголовок 3 сбрасывает воду.
Перед запуском водосброса в работу водозаборный 2 и водовыпускной 3 оголовки трубопровода перекрывают запорной арматурой 4 и 5, например, задвижками, и трубопровод наполняют водой через водоприемный кран 6, установленный в самой высокой части трубопровода относительно уровня моря. Наполнение трубопровода водой производят стандартным водяным насосом только один раз перед запуском водосброса в работу. Водоприемный кран 6 снабжен воздуховыводным клапаном (на чертеже не показан), служащим для вывода воздуха при заполнении трубопровода водой. После наполнения трубопровода водой водоприемный кран 6 герметично закрывают, а задвижки 4 и 5 на концах трубопровода одновременно открывают. Из водовыпускного оголовка трубопровода 3 сила земной гравитации потянет столб воды, который в свою очередь создаст непрерывный водоток по трубопроводу 1 из озера 7 через перевал 8 в русло реки. Водовыпускной оголовок 3 трубопровода устанавливают на 220 метров ниже, чем водозаборный 2 относительно уровня моря, что позволяет водотоку развить максимальную скорость. При такой разнице в высоте между верхним и нижним бьефом вода будет двигаться по трубопроводу со скоростью свободного падения тела, которая равняется для воды, заключенной в трубопровод, шестьдесят метров в секунду. Для исключения вибраций трубопровод по всей его протяженности жестко закреплен к земле сваями или анкерными креплениями, посредством хомутов из металла или жестких композиционных материалов.
При диаметре трубопровода сто сантиметров и скорости водотока 60 метров в секунду, водосброс будет перебрасывать примерно пятьдесят (округляем с учетом погрешности для удобства в расчетах) кубических метров воды каждую секунду. Далее по расчету:
1 секунда - 50 куб. метров.
1 минута - 3000 куб. метров.
1 час - 180 тысяч куб. метров.
1 сутки - 4 млн.320 тысяч куб. метров.
1 год - 1 млрд. 576 млн. куб. метров.
1 миллиард куб. метров равен=1 куб. километр.
В итоге в год одна линия водосброса диаметром сто сантиметров будет снижать объем воды в озере Сарез на полтора кубических километра. Можно использовать две и более линий водосброса для ускорения процесса. Сегодня объем воды в озере Сарез семнадцать куб. километров.
Выполнение водосброса указанными способом и устройством обеспечивает эффективный и регулируемый сброс воды на озере Сарез и других подобных водоемах, грозящих наводнениями.
2.Реки Европы.
На реках Европы во время наводнения водосброс работает следующим образом.
Водозаборный конец трубопровода 2 устанавливают в том месте реки, которое соответствует следующим требованиям:
1. Наибольшая высота над уровнем моря (300-500 метров) при наименьшем расстоянии от самого моря (100-200 километров).
2. Глубина водоема в месте водозабора от 30 метров и более.
3. Объем воды в выбранном водоеме достаточный для бесперебойной работы системы.
Эта же схема применима при переброске паводковых вод, бесполезно утекающих в океан из реки Иртыш, в Аральское Море. В этом случае не надо рыть канал портящий экологию и сжигать 4 млн. тонн угля в год для переброски планируемых 12 куб. километров паводковых вод.
Чтобы перебросить 12 куб. км воды из реки Иртыш в Аральское Море за 30-35 дней (примерно столько длится паводок, с начала апреля и до середины мая) нужно чтобы верхний бьеф, то есть водозабор находился 300-400 метров над уровнем моря.
Одна линия водосброса диаметром два метра за 35 дней будет перебрасывать 0,5 куб. км воды. Для переброски 12 куб. км воды нужно 24 линии водосброса, которые можно устанавливать в разных точках реки для равномерного водозабора.
Одна линия водосброса диаметром два метра за 35 дней будет перебрасывать 0,5 куб. км воды.
Количество перебрасываемой воды вычисляется следующим способом.
При скорости водотока 60 м/сек и диаметре трубы 200 сантиметров по формуле умножаем скорость водотока на площадь сечения трубопровода равняющемуся 3,14 кв. метра. В итоге получаем:
1. За одну секунду из трубопровода выходит 188 куб. метров воды.
2. За одну минуту 11 тысяч 300 куб метров.
3. За один час 676,8 тысяч куб. метров.
4. За одни сутки 16 млн. 243 тыс.200 куб. метров.
5. За тридцать дней 487 млн. 296 тыс.куб. метров.
6. За тридцать пять дней 568 млн. 512 тыс.куб. метров воды.
В среднем 500 млн. куб. метров или 0,5 куб. километра воды.
Для переброски 12 куб. км воды нужно 24 линии водосброса, которые можно устанавливать в разных точках реки для равномерного водозабора.
Для запуска в работу водосброса при длине трубопровода сто километров и диаметре двести сантиметров нужно закачать в него сто восемьдесят тысяч кубометров воды, с чем не справится ни один насос. В этом случае трубопровод заполняется водой перед запуском в работу уменьшенным аналогом предлагаемой системы водосброса. Водозаборный оголовок водосброса устанавливается в водоем расположенный на 20 и более метров выше водоприемника 6 основного трубопровода 1 относительно уровня моря, а водовыпускной оголовок уменьшенного аналога присоединяется к водоприемнику 6 основного трубопровода 1, что служит для быстрого заполнения водой главной системы водосброса.
При перебросе воды из Иртыша в Арал будут возникать следующие технические проблемы:
1. Необходимость оптимизации конструкции водозабора.
2. Различная степень вибрации разных участков трубопровода.
3. Различные требования к прочности труб на разных участках трубопровода.
4. Необходимость применения труб разного диаметра на разных участках трубопровода.
5. Необходимость регулирования скорости водотока на разных участках трубопровода.
Силы водотока будут вызывать сильную вибрацию на участках водозабора и водовыпуска из-за разницы высот между верхним и нижним бьефами. Это может привести к разрушению на участках водозабора и водовыпуска, прекращению работы всей системы. Для предотвращения разрушений участка трубопровода в месте водозабора и водовыпуска нужно жесткое крепление трубопровода к земле. Степень противодействия вибрациям свай или анкерных креплений на участках водозабора и водовыпуска должна быть значительно выше, чем на равнинных участках трубопровода.
При больших объемах водозабора (150-200 куб. метров в секунду) на одном участке основной трубопровод делится на несколько водозаборных рукавов. Водозаборные рукава находятся на расстоянии позволяющем им работать не мешая друг другу. Гораздо проще и дешевле соорудить пять маленьких водозаборов (30-40 куб. метров в секунду), а затем на равнинном участке их объединить в один трубопровод, чем сооружать один большой водозабор (150-200 куб. метров в секунду).
В этом случае гораздо проще обслуживание и соблюдение техники безопасности. Как во всех водозаборах, должна быть оградительная сетка, не позволяющая попадать в трубопровод рыбе и твердым предметам.
Из-за давления огромных масс воды на участок водовыпуска, давление на стенки труб на участке водовыпуска будет гораздо больше, чем на равнинном участке. Поэтому, трубы участка водовыпуска должны быть более прочными, с более толстыми стенками, чем на равнинном участке трубопровода.
При столкновении водотока с атмосферой, на водовыпуске, будет возникать дополнительная вибрация. Известно по принципу брандспойта, когда трудно удержать водовыпуск шланга, при этом средние участки шланга остаются спокойными. Здесь наглядно видно результат столкновения водотока с атмосферой. Объем водотока, а значит, сила разрушительной вибрации в предлагаемой системе водосброса будет в сотни раз сильнее, чем на известных пожарных брандспойтах. Для устранения или хотя бы снижения этой вибрации, также приводящей к разрушению участка водовыпуска, нужно снизить скорость водотока на участке водовыпуска заблаговременно до встречи водотока с атмосферой. Для снижения скорости водотока нужно увеличить площадь сечения трубы на участке водовыпуска. Если сечение трубы основного трубопровода 100 см, то на водовыпуске площадь сечения трубы должна быть 150-200 и более см. Если основная труба 200 см, и расширять ее нереально, то нужно разделить трубу на несколько рукавов, чтобы сумма площадей сечений рукавов значительно превышала площадь сечения основного трубопровода. Благодаря этому водоток снизит скорость и при столкновении воды с атмосферой не будет разрушительной вибрации для участка водовыпуска. Энергия водотока может использоваться для получения электроэнергии.
Известно, что возвышенности хуже обеспечены грунтовыми водами, чем низменности. Для подачи воды на возвышенность производится ответвление от основного трубопровода, и вода, благодаря высокой скорости водотока (60 м/сек) поднимается вверх на значительную высоту, без затрат энергоносителей. Водовыпуск ответвленной трубы, может устанавливаться выше участка верхнего бьефа. По известным законам физики уровень воды в ответвленном трубопроводе не может подняться выше высоты верхнего бьефа, если вода находится в состоянии покоя. Но при скорости водотока 60 м/сек, вода в ответвленном трубопроводе будет подниматься значительно выше высоты верхнего бьефа. В зависимости от технических параметров водосброса, высота водовыпуска ответвленного трубопровода определяется отдельно. Ответвленный трубопровод должен быть перекрыт от основного, пока водоток основного трубопровода не наберет максимальную скорость.
Главная цель изобретения, это рациональное распределение водных ресурсов и предотвращение стихийных бедствий.