Рыбозащитные сооружения на основе потокообразующих устройств

А.В. Иванов, Г.Г. Филиппов, ОАО «Институт Гидропроект» им. С.Я. Жука», В.И. Баженов, В.И. Петров, С.М. Божьева, ЗАО «Водоснабжение и водоотведение», г. Москва

Задачи рыбозащиты

Эксплуатация поверхностных водозаборов объективно угрожает рыбным популяциям водоисточников в связи неизбежным попаданием рыбы в незащищенные от этого водозаборные сооружения. Для предотвращения гибели рыб в водозаборных сооружениях действующее законодательство предписывает водопользователям принимать меры, направленные на обеспечение безопасности рыб и других водных организмов. СП 31.13330.2012 Водоснабжение.  Наружные сети и сооружения (актуализированная редакция СНиП 2.04.02-84) формулирует общие требования в области рыбозащиты: «8.77 Водозаборные сооружения (водозаборы) должны - на водоемах рыбохозяйственного значения удовлетворять требованиям органов охраны рыбных запасов». Согласно СП 101.13330.2012 «рыбозащитные сооружения необходимо предусматривать с целью предупреждения попадания, травмирования и гибели личинок и молоди рыб на водозаборах и отвода их в безопасное место рыбохозяйственного водоема».

Ключевыми в данной формулировке являются следующие понятия:

• «предупреждение попадания и гибели личинок и молоди рыб на водозаборах» означает, что нельзя допускать попадания рыб в водозаборное сооружение вместе с потоком воды;
• «предупреждение травмирования личинок и молоди рыб» означает, что нельзя допускать их механический контакт  с  защитно-водоприемной  поверхностью.  Получается, что отделение личинок и молоди на защитной сетке - это не рыбозащитное мероприятие;
• «отвод  рыб  в  безопасное  место  рыбохозяйственного водоема» означает, что нельзя  оставлять  защищенных  рыб в опасной водозаборной зоне.

Основы экологичной рыбозащиты

Для выполнения совокупности предъявляемых требований рыбозащитное устройство (РЗУ) должно включать комплекс элементов, последовательно выполняющих следующие функции:

• входную, потокоформирующую - обеспечивающую перераспределение скатывающихся  с  потоком  к  водозабору  рыб  в сторону от защитно-водоприемной поверхности РЗУ;
• рабочую, защитно-водоприемную - обеспечивающую равномерный скоростной режим забора воды к потребителю при предотвращении попадания рыб в водозабор;
• выходную, рыбоотводящую - обеспечивающую отвод защищенных рыб из зоны действия водозабора в безопасное место рыбохозяйственного водоисточника.

Таким образом, из этих функций две ориентированы на рыбозащиту, а  одна  - на выполнение основной задачи водозабора. Принцип реализации данных мер основан на использовании особенностей обитания и поведения рыб в водной среде, изобилующей ориентирами различной природы: гидравлическими (так называемыми реоградиентными), визуальными, осязательными, кормовыми (трофическими) и другими. В совокупности они определяют распределение и перемещение рыб по водоему, что можно и нужно использовать для целей рыбозащиты. Наиболее важным для этих целей ориентиром, позволяющим корректировать траектории перемещений рыб, является реоградиентный. В связи с этим работа современных РЗУ, обеспечивающая принудительное изменение  траекторий  движения  рыб в водозаборном течении с опасного направления - в водозабор на безопасное направление в рыбообитаемое место, основана на обустройстве водозаборного течения. Различают защитное течение, не позволяющее рыбам приблизиться к водозабору и отводящее течение, выводящее рыб из опасной зоны.

В зависимости от условий размещения водозабора и РЗУ, конструкции функциональных элементов последнего могут существенно различаться. Так, например, транзитное течение в реке, скорость которого превышает критические для молоди рыб значения, можно с помощью стационарных конструкций использовать,  одновременно, в качестве и потокоформирующего, и рыбоотводящего элементов РЗУ.

В слабопроточных водных объектах и, особенно, в водозаборных ковшах требуется затрата дополнительной энергии на создание защитного и отводящего рыб течений. Поскольку большинство водозаборов расположено именно в таких условиях, то оптимизация энергозатрат на создание этих течений является весьма актуальной.

Одним из путей оптимизации энергетических затрат является объединение защитного и отводящего течений в одно единое течение, обеспечивающее недопущение в водозабор и удерживающее рыб непосредственно перед ним, но на безопасном удалении.

Такой подход целесообразен по следующим причинам:

1. защита рыб, основанная на использовании водных течений, естественных для их обитания, является наиболее безопасной;
2. на защиту, отведение и, одновременно, удержание рыб непосредственно перед водозабором тратится минимум энергии;
3. в слабопроточном водном объекте водозаборная зона, в которой сформированы выраженные проточные условия,  является привлекательным местом обитания рыб. Вместе с рыбой в водозаборную зону поступают и задерживаются перед ней планктон и другие водные организмы, служащие для молоди рыб кормом и формирующие, тем самым, в водозаборной зоне благоприятные условия для её нагула. А скопление перед водозабором молоди рыб, в т.ч.  малоценных  и сорных видов, способствует заселению водозаборной зоны хищными рыбами, нахо дящимся на верхнем уровне пищевой цепи;
4. размещение РЗУ непосредственно перед водозабором, практически, не изымает из экосистемы водоема рыбообитаемую акваторию, а наоборот, перед ним формируются условия, наиболее благоприятные для обитания и продуктивного нагула представителей всех уровней пищевой цепи водной экосистемы.

Учитывая, что рыба рождается, расселяется по водоему и живет в водных течениях, и в них же попадает в водозаборы, вполне логично предположить, что и спасаться от опасности она должна также с помощью все тех же водных течений. Однако, чтобы эти течения в слабопроточных водоемах стали спасительными и отводили бы рыбу от источника опасности, их необходимо искусственно организовать.

Объемный гидравлический экран

Скорость втекания воды в водозаборные окна, как правило, превышает критические значения для молоди рыб, поэтому надо воспрепятствовать её попаданию в зону с опасным для неё скоростным режимом течения. На сравнительно некрупных (производительностью до нескольких м3/с) водозаборах из слабопроточных водоемов перед водозаборными окнами, в зоне, где скорости еще не превышают критические для рыб значения, с помощью высокоскоростных водяных струй возможно формирование из водных течений «объемного гидравлического экрана» (рис. 1). Сливаясь в вершине защитной зоны, они формируют кумулятивную струю. Эта струя, обладающая повышенными скоростью течения и транспортирующей способностью, действуя в зоне «незначительных» скоростей водозаборного течения, обеспечивает захват молоди  и  планктона и выводит их из опасной зоны водозабора  в безопасное место.

Объемный гидравлический экран создается с помощью устройства, включающего верховой и низовой водораспределительные патрубки струегенератора. На них установлены сопла, обрамляющие водозаборное окно попарно, симметрично к оси и под углом к водозаборному фронту. Водораспределительные патрубки подключены к источнику напорной воды, в качестве которого могут быть использованы напорная сеть насосного агрегата или автономный насос.

Таким образом, непосредственно перед водозабором, но на безопасном от него удалении создается участок акватории, на котором в результате совокупности водозаборного и защитного течений формируется благоприятный для обитания рыб гидравлический режим, позволяющий рыбам продолжительное время комфортно пребывать и питаться в водозаборной зоне без опасности попадания  в  водозабор.  При  этом  в зависимости  от  физического  состояния и инстинктивного поведения  каждая из обитающих здесь особей может выбрать оптимальный для нее в данный момент участок течения, т.е. может как приближаться к водозабору, так и удаляться от него.

На рис. 2 показана фотограмма обитания молоди рыб в потоках на безопасном от водозабора расстоянии.

Необходимо отметить, что продолжительность обитания рыб в безопасной защитной зоне во многом зависит от интенсивности снабжения ее кормовым ресурсом. Так, в летний период при обильном снабжении планктоном, доставляемым в безопасную зону совокупностью водозаборного и защитного течений, рыбы могут не покидать ее продолжительное время. В предзимний же период подросшая молодь, испытывающая недостаток планктонного корма, может выйти из мест интенсивного нагула и мигрировать на зимовальные участки. Таким образом, на формирование траектории путей миграции и условия пребывания молоди рыб в зоне действия водозабора оказывают влияние сразу несколько факторов специально организованной природной среды, препятствующих попаданию рыб вглубь водозаборного фронта, удерживающих их на удалении от опасной зоны влияния водозабора и выводящих обратно в безопасное место. Тем самым организуется бесконтактная, не травмирующая молодь защита рыб от попадания и гибели в водозаборе.

Поскольку эффективность самостоятельного удержания молоди на безопасном участке зависит, в частности, и от возможности ее зрительно ориентироваться в зоне обитания, т.е. от освещенности, то для обеспечения устойчивого пребывания рыб на удаленном от водозабора безопасном участке последний должен быть освещен в темное время суток 

Натурные исследования «объемного гидравлического экрана» показали его высокую рыбозащитную эффективность. При подаче на струеобразование до 5-7 % от водозаборного расхода она достигает 94,7 %, что значительно превышает нормативные требования (70 %) .

Изучив результаты испытаний, и принимая во внимание достигнутый уровень рыбозащитной эффективности, ФГБУ «Центральное управление по рыбохозяйственной экспертизе и нормативам по сохранению, воспроизводству водных биологических ресурсов и акклиматизации» сообщило,  что не возражает против применения бесконтактного РЗУ «объемный гидравлический экран» на водозаборах различного назначения (письмо ФГУ «ЦУРЭН» от 25.10.2004 № 04-3/618).

Конструктивные элементы устройства сведены к стругенераторам, отсутствие сетчатых экранов делает минимальными его гидравлическое сопротивление и затраты на эксплуатацию водоприемных органов. При оборудовании устройством водозаборных окон нет необходимости в замене имеющихся в них грубых сороудерживающих решеток на специальные защитно-водоприемные экраны.

Особенность водоструйного РЗУ заключается в использовании искусственно создаваемых водных течений в качестве всех внешних функциональных элементов, что обеспечивает наиболее естественную рыбозащиту и исключает устройство вынесенных в водоем каких-либо механических конструкций, поэтому данное РЗУ абсолютно не подвержено любым вредным воздействиям окружающей среды (волна, ледоход, наносы и прочее).

Помимо рыбы «объемный гидравлический экран» эффективно отводит от водозабора и различный плавающий мусор и планктон, что благоприятно сказывается на эксплуатации вращающихся водоочистных сеток насосной станции и возвращает в водоем корм, необходимый для нагула молоди. В «объемном гидравлическом экране» функции всех трех функциональных элементов РЗУ водозабора, изложенных в начале статьи (пропуск необходимого расхода воды, но без рыб и обеспечение сохранения жизнеспособности молоди рыб в безопасных условиях) гармонично сочетает в себе собственно объемное высокоскоростное транзитное (для рыб) течение, являющееся одновременно и наиболее естественной водной средой обитания рыб и самодостаточным РЗУ, выполняющим все необходимые для него функции. Бесконтактный «объемный гидравлический экран» по праву можно назвать высокоэффективным РЗУ нового поколения.

Пример внедрения крупного РЗУ нового поколения

Использование разновидности водоструйного РЗУ на Загорской гидроаккумулирующей станции ГАЭС-2 (рис. 3) позволило существенно сократить финансовые затраты на строительство и эксплуатацию. Принцип  работы  этого  объекта  требует  в течение ночного времени (характеризующегося минимальным энергопотреблением) отбирать из водного объекта и закачивать  в вышерасположенный резервуар значительные количества воды, со сбросом ее через турбогенераторы в часы пиковых нагрузок. Такой объект дает колоссальную нагрузку на водный объект по забору воды: расчетная производительность водоприемных окон составляет 944 м3/с (3,5 час суточной работы). Всего в цикле закачки воды отбирается около 718 м3/с (4,6 час суточной работы).

Созданное на этом объекте РЗУ формируется восходящими водяными струями, которые обеспечивают вертикальную ориентацию потока только самого верхнего рыбонасыщенного слоя, ниспадающего водозаборного течения в поверхностный комфортный для обитания рыб горизонт. Также учтено и используется в качестве системы рыбоотвода  реверсивное течение ГАЭС, в устье которого размещено специально оборудованное безопасное место продолжительного обитания рыб.

РЗУ, использованное для создания восходящих водяных струй, представляет собой протяженную группу расположенных на забральной стене водоприемника горизонтальных струегенераторов с соплами. Источником формирования в них водного потока являются погружные электронасосные агрегаты осевого типа Indar (Испания), производство которых локализовано в России. Вода под давлением поступает в горизонтальные распределительные трубы струегенераторов и через сопла направляется вдоль забральной стены вверх, формируя вращающийся в вертикальном сечении вихрь, в котором рыба удерживается на протяжении всего периода работы ГАЭС в водозаборном режиме. При переходе ГАЭС на работу в турбинном режиме рыбу реверсивным течением выносит обратно в водохранилище, в котором для нее с помощью искусственных рифов оборудованы специальные места без- опасного обитания.

Снижение  индуктивных  потерь  в системе насосструегенератор с помощью оптимизации формы струегенератора и сопел на основе результатов численного решения позволило снизить потребляемую мощность каждого агрегата с 75 кВт до 62 кВт. Девять струегенераторов,  обеспечивающих работу водозаборного устройства гигантской производительности длиной 415 м, в сумме по требляют в период работы около 560 кВт.

Для оценки энергоэффективности водозаборных РЗУ различной производительности удобно использовать удельный показатель, представляющий собой отношение энергозатрат на их работу, в кВт·ч, к забранному объему воды, в 1000 м3/ч, т.е. мощность струеобразователей, отнесенную к 1000 м3. Для РЗУ Загорской ГАЭС-2 этот показатель составляет 0,165 кВт/1000 м3.

Искусственный стрежень

Возможна иная модификации водоструйного РЗУ, например, асимметричный  «искусственный  стрежень».  На  период, когда скорость транзитного течения водотока, например, в паводок,  становится устойчиво выше критических значений для защищаемых рыб, нет необходимости удерживать их непосредственно перед водозабором, поскольку транзитное течение само выносит рыб вниз от источника опасности. В этом случае достаточно обеспечивать защиту только рыб, сносящихся потоком с верховой стороны. 

С помощью системы пропеллерных потокообразователей, последовательно размещенных на выходе из обширного мелководья, можно предотвратить вынос с него и рыб, и их корма в водозабор, возвращая обратно на мелководье в место безопасного обитания (рис. 4).

Использование погружных мешалок для создания РЗУ

Весьма перспективным представляется использование для создания полноводных защитных  течений   потокообразователей  с низкооборотным открытым пропеллером большого диаметра (рис. 5). Мешалки такого типа давно и успешно применяются для решения схожих задач - борьбы с льдообразованием в акватории замерзающих портов (создаваемые потоки препятствуют образо- ванию льда). 

Практика использования мешалок определяет низкооборотные редукторные серии как высокопроизводительные (тяга, Н) и энергоэффективные (определено параметром Н/кВт), при этом погружной тип реализует возможность получения горизонтально ориентированного потока. В табл. 1 представлена выборка наиболее приемлемых вариантов исходя из условий обеспечения производительности мешалок и их безопасности для рыб.

Для анализа крупного объекта с максимальной производительностью водозаборного течения 1200 м3/с выбран вариант самой производительной мешалки XSB 2733 LX. При диаметре пропеллера 2750 мм и скорости вращения 60 об/мин создаваемая им тяга достигает 6422 Н, что обеспечивает дальнобойность водяной струи более 100 м с конечной скоростью 0,3 м/с, превышающей критические для рыб значения (рис. 6).

Большой диаметр, низкая скорость вращения, а также благоприятные гидродинамические особенности формы лопастей пропеллера, практически до минимума снижают возможность столкновения лопастей и предметов с малым моментом инерции (массой). Рыбу отнесет потоком от лопасти раньше, чем она (лопасть) к ней приблизится. Тем не менее, для обеспечения безопасности рыб, находящихся в зоне действия пропеллера, его желательно размещать в местах с низкой концентрации водных обитателей, например, на более глубоких участках водоема, а также под прикрытием струй, созданных предыдущим пропеллером потокоформирующей системы.

Общая потребляемая мощность РЗУ из 5-ти мешалок (см. рис. 4) – около 40 кВт. Для рассмотренного масштаба объекта такое небольшое энергопотребление для формирования защитного потока является недостижимым при использовании струегенераторов с насосами. Система «искусственный стрежень» на основе мешалок при мощности водозабора 1200 м3/с имеет потребляемую мощность 40 кВт, что соответствует удельному энергопотреблению РЗУ 0,009 кВт·ч/1000 м3.

К деталям проектирования данного объекта следует отнести существующую сезонную неравномерность гидравлической характеристики водозабора  от  600  до 1200 м3/с, что обусловило использование частотно-регулируемого привода для управления производительностью формирователей потока. Обоснованием данного решения явилось не столько сокращение энергозатрат, сколько необходимость регулирования излишней энергии суммарного течения РЗУ, приводящая к критической (возможно травмирование рыб) скорости в «искусственном стрежне» до 0,5 м/с (при 600 м3/с).

Описанный метод имеет существенную особенность: мешалки предполагают донное размещение на жестких фундаментах, которые должны быть сооружены на дне. Глубина установки мешалок (расстояние от поверхности воды до продольной оси вала) определяется толщиной верхнего населенного рыбой слоя, а также нижним уровнем льда.

РЗУ для малой производительности водозабора

Группа «ВИВ» предлагает использовать опыт большой гидроэнергетики и разработок ОАО «Институт Гидропроект» им. С.Я. Жука», что изначально предполагает высокую производительность РЗУ. Однако, накопленный опыт целесообразно было бы распространить на условия городских водоканалов, обслуживающих 100-200 тыс. жителей с водозабором, например, 0,5–1,0 м3/с.

В отсутствии данных цифрового моделирования РЗУ для ковшового водозабора шириной, например, 300 м весьма ориентировочно можно предположить следующее:

• Система «объемный гидравлический экран» потребует устройства «гребенки» струегенераторов с установленной мощностью насосов порядка 50 кВт. В качестве альтернативы могут быть использованы погружные мешалки общей мощностью порядка 6-10 кВт;
• Система «искусственный стрежень» потребует устройства 2-3 погружных мешалок общей мощностью 5-7 кВт.

Таким образом, при надлежащей проработке, задача рыбозащиты может быть эффективно решена при минимальных энергозатратах и высокой надежности.

Выводы

Разработаны экологичные решения рыбозащитных сооружений с потокообразую щими устройствами  типа:  струегенератор с соплами и погружные потокообразователи с низкооборотным пропеллерами, формирующими симметричный «объемный гидравлический экран» и ассиметричный «искусственный стрежень», позволяющие удерживать рыб в создаваемом циркуляционном течении перед водозабором и отводить от него в безопасное место водоема.

Введено понятие удельное энергопотребление РЗУ. Для рассмотренных объектов показатель составил: для «объемного гидравлического экрана» - 0,165 кВт/1000 м3 , для «искусственного стрежня» - 0,009 кВт/1000 м3. 

Литература

1. Федеральный закон «О животном мире» от 11.11.2003 г. № 148-ФЗ.
2. Федеральный закон «Об охране окружающей среды» от 22.08.2004 № 122-ФЗ.
3. Федеральный закон «О рыболовстве и сохранении водных биологических ресурсов» от 20.12.2004 г. № 166-ФЗ (с изменениями и дополнениями).
4. Водный кодекс Российской Федерации от 03.06.2006 г. № 74-ФЗ.
5. Постановление Правительства РФ от 20.04.2013 № 380 «Об утверждении Положения о мерах по сохранению водных биологических ресурсов и среды их обитания».
6. СП 31.13330.2012 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения (актуализированная редакция СНиП 2.04.02–84). // М.: Минрегион России. 2011. 125 с.
7. СП 101.13330.2012 Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.06.07–87 // М.: Минрегион России, 2012 – 74 с.
8. Баженов В.И., Петров В.И., Бухаров К.Д., Иванов А.В., Филиппов Г.Г. Разработка и численное моделирование рыбозащитных сооружений на основе потокообразующих устройств // Гидротехника. 2014. № 1. С. 108–112.
9. Баженов В.И., Березин С.Е., Петров В.И., Божьева С.М., Тведохлеб И.Б., Костюк А.В., Князева Е.Г. Импортозамещение и локализация производства низковольтных и высоковольтных погружных насосов в России // Водоснабжение и канализация. 2016. №3–4. С. 4–15.