К.т.н. Логинов Г.И.

Кыргызско-Российский Славянский университет им. Б.Н. Ельцина, Кыргызстан

Д.т.н. Лавров Н.П.

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Россия

Классификация горных водозаборных гидроузлов

Для забора воды из горных рек в энергетические и ирригационные системы используются низконапорные водозаборные гидроузлы, которые представляют собой комплекс сооружений и устройств, служащих для выполнения основных технологических операций, которые заключаются в заборе и подачи необходимого количества и качества воды [1, 2].

Проблемами надежного обеспечения водой гидроэнергетических и ирригационных систем занимались такие известные ученые, как С.Т. Алтунин, К.Ф. Артамонов, Н.Ф. Данелия, И.С. Румянцев, И.И. Леви, Я.В. Бочкарев, Б.И. Мельников, А.С. Офицеров, М.В. Попов, А.И. Рохман, И.К. Рудаков, Г.В. Соболин, А.В. Филончиков, и многие другие [2].

Определяющим критерием при выборе компоновочной схемы водозабора из горных рек является максимальное значение коэффициента водозабора а, который является отношением среднедекадного расхода водозабора к среднедекадному расходу реки расчетной обеспеченности, который рассчитывается по формуле [1]:

, (1)

где и – соответственно расчетный расход гидросистемы и расход притока реки расчетной обеспеченности.

При значениях коэффициента водозабора обычно принимается бесплотинная схема водозабора, при коэффициенте принимаются компоновки низконапорных плотинных водозаборных гидроузлов с полным перекрытием створа. В случае превышения в определенные периоды времени значений расходов водозабора речных расходов, в створе водозабора сооружается плотина, способная образовывать аккумулирующую емкость (водохранилище) [2].

Анализ технических характеристик ирригационных и гидроэнергетических систем Кыргызской республики с водоподачей из малых горных рек показал, что на них преимущественно используют в качестве головных низконапорные плотинные водозаборные гидроузлы. При этом определяющим фактором для их выбора являются: сокращение холостой части магистрального канала, обеспечение необходимого качества очистки забираемой воды, уменьшение влияния процесса водоотбора на режим реки даже при больших коэффициентах водозабора.

В настоящее время на основании теоретических, экспериментальных разработок и натурных исследований для организации водозабора из горных рек в гидроэнергетические и ирригационные системы предложено около ста различных компоновочных схем водозаборных гидроузлов [1].

Созданные ранее конструкции низконапорных плотинных водозаборных гидроузлов классифицируются авторами по различным признакам. Как правило, эти классификации основываются на разделении сооружений гидроузла по конструктивным, гидравлическим признакам, по способам борьбы с наносами, по периодичности их удаления, величине напора воды в верхнем бьефе [1] и т.д.

По мнению А.В. Филончикова, рассмотрение конструкций известных низконапорных плотинных водозаборных гидроузлов, построенных на малых горных реках Кыргызской республики, позволяет сделать выводы, что:

- если в одном сооружении сочетаются признаки нескольких выше приведенных классификаций, название их содержит несколько признаков, характерных для данного сооружения;

- в случаях, когда определяющих признаков много и название получается громоздким, прибегают к географическим названиям, называя сооружения по месту их первого применения (Ферганский, Европейский, Тянь-шаньский и т.д.)[1].

На наш взгляд, группировка водозаборных гидроузлов по расположению водоприемников, по способам борьбы с наносами не достаточно определяет связь между разнообразными типами водозабора из горных рек. Представляя классификацию как группировку объектов в соответствии с их общими признаками, нами предлагается определить также связь между известными компоновками водозаборных гидроузлов в виде преемственности рациональных конструктивных решений.

Для определения этих связей нами был продлен перечень типов компоновок водозаборных гидроузлов, представленный Н.П. Алтуниным [3], с учетом более поздних разработок:

1. Индийский тип; 2. Европейский тип; 3. Грузинский тип; 4. Ферганский тип; 5. Комбинированный тип; 6. Решетчатый (Тирольский) тип; 7. Усовершенствованный решетчатый тип; 8. Киргизский тип; 9. Тянь-шаньский тип; 10. Тип водозабора с косонаправ-леным наносозащитным порогом; 11. Тип водозабора с выпуклым в плане наносозащитным порогом; 12. Тип водозабора с ломаным в плане наносозащитным порогом (КРСУ).

Первые шесть типов компоновок водозаборных гидроузлов в предложенной Алтуниным в 1964 году последовательности, представлены на рисунке 1.

Следует отметить, что А.В. Филончиковым позднее была определена область применения этих типов горных плотинных гидроузлов по уклонам руслового участка и коэффициенту водоотбора [1].

Определив перспективность применения на малых горных реках водозаборных гидроузлов, выполненных по схеме Решетчатого типа (см. Рисунок 1 е), многие авторы провели их совершенствование, заключающиеся в улучшении наносозащитных характеристик. Водозаборные гидроузлы оснащались наносоперехватывающими галереями, щитовыми сбросами, гидравлическими сепараторами, порогами, водоприемными галереями, поднятыми над отметками речного дна и т.д.

Рисунок 1 – Компоновочные схемы водозаборных гидроузлов, описанные Н.П. Алтуниным: а – Индийский тип; б – Европейский тип; в – Грузинский тип; г – Ферганский тип; д – Комбинированный тип; е – Решетчатый (Тирольский) тип.

Компоновочные схемы усовершенствованных водозаборных гидроузлов Решетчатого типа, приведены на рисунке 2.

А.В. Филончиков на основании проведенного анализа сделал вывод, что на территории бывшего СССР существовала выраженная зональность распространения различных типов водозабора, которая ограничивалась территориями союзных республик [1]. В качестве основной причины, определяющей многообразие типов водозабора, было представлено различие формы речных наносов (пластинчатые для рек Кавказа и шарово-кубичная для рек Средней Азии).

Рисунок 2 – Усовершенствованные схемы водозаборных гидроузлов решетчатого типа: а - схема предложенная Н.Ф. Данелия; б - схема предложенные Ф.С. Салаховым; в – схема предложеная Р.Ж. Жулаевым, Г.В. Соболиным, И.К. Рудаковым; г - конструкция Н.Ф. Данелия для решетчатого водозабора

На наш взгляд, это многообразие конструкций связано также с различием плотности влекомых наносов и мутности речных потоков.

Резко континентальный климат Центральноазиатских стран определяет сложные гидрологические и морфометрические характеристики горных рек, которые проявляются в малой водности и большой интенсивности эрозионных процессах склонов и пойм бассейнов рек [2].

Специфические характеристики горных рек предопределили создание учеными Кыргызстана и Казахстана водозаборных гидроузлов Киргизского и Тянь-шаньского типов (Рисунок 3).

Рисунок 3 – Компоновочные схемы водозаборных гидроузлов, основанных на совершенствование решетчатого типа водозабора: а – Киргизского типа; б – Тянь-шаньского типа.

Эти разработки основывались на совершенствовании решетчатых типов водозабора с галереей, поднятой над дном речного русла, передняя и задняя стенки которой имела уклон гребня в сторону промывника (см. Рисунок 2в).

Гидроузлы Киргизского и Тянь-шаньского типов отличаются друг от друга устройством наносозащитных порогов, промывников и сороудерживающих решеток.

При создании Тянь-шаньского типа водозабора в схеме усовершенствованного решетчатого типа авторами были сделаны следующие преобразования:

- передняя стенка водоприемной галереи решетчатого водозабора размещена под углом к струям водного потока в подводящем русле;

- нижняя стенка водоприемной галереи решетчатого типа преобразована в автоводослив, для создания в аванкамере необходимого напора;

- поверхностная решетка водоприемной галереи трасформирована в сороудерживающую решетку, устраиваемую перед береговым водоприемником;

- боковая аванкамера, расположенная на противоположном берегу от водоприемника, оборудована автоводосливом для увеличения пропускной способности гидроузла (по аналогии со схемой III рисунка 33).

По оценке А.В. Филончикова, водозаборные гидроузлы Тянь-шаньского типа отличают сравнительно низкие капиталовложения [1].

По нашему мнению, практически все последующие компоновки различных авторов, приведенные ниже, в качестве базовой имеют схему Тянь-шаньского водозабора. При этом состав элементов гидроузла существенных изменений не претерпел, изменялись их форма и место расположения, что улучшило технические и технологические характеристики гидроузла [2]. В качестве примера можно представить компоновочные схемы, приведенные на рисунке 4.

Каждая из представленных компоновочных схем, как и гидроузлы Киргизского и Тянь-шаньского типов с односторонним водозабором, имеет криволинейное подводящее русло, подобное руслу Ферганского типа водозабора, представленного на рисунке 1, что предполагает размещение водоприемника на вогнутом берегу.

Анализируя определяющие и заимствованные признаки приведенных типов водозабора, позволило подтвердить определяющую роль усовершенствованного типа Решетчатого водозабора, который наравне с Ферганским типом предопределил общее направление совершенствования компоновочных схем водозаборных гидроузлов для гидроэнергетических и ирригационных систем Кыргызстана и Казахстана.

Рисунок 4 – Компоновочные схемы водозаборных гидроузлов, созданных на основе усовершенствования Тянь-шаньского типа водозабора: а – гидроузел конструкции Г.В. Соболина; б – гидроузел конструкции И.К. Рудакова; в – схема водозабора, предложенная М.С. Рамазаном и С.С. Сатаркуловым; г – гидроузел, предложенный А.В. Филончиковым; д - схема гидроузла КСХИ разработанная под руководством Я.В. Бочкарева; е – гидроузел для деривационных ГЭС (ВСДГ) конструкции КРСУ.

На основании выполненного анализа нами предложена классификация типов горных водозаборных гидроузлов, которая в виде структурной схемы приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схема классификации типов водозаборных гидроузлов на горных реках

Данная классификация показывает преемственность развития известных компоновочных схем в разработке последующих, более совершенных головных водозаборных гидроузлов, путем заимствования рациональных конструктивных решений. Она может быть использована для систематизации материалов и данных по существующим гидроузлам, а также с целью совершенствования элементов, устройств и технологий эксплуатации головных гидроузлов ирригационных и гидроэнергетических систем.

Литература:

1. Филончиков А.В. Проектирование автоматизированных водозаборных узлов на горных реках. – Фрунзе: Кыргызстан, 1990. – 376 с.

2. Гидротехнические сооружения для малой энергетики горно-предгорной зоны / Под ред. Н.П. Лаврова. – Б.: «Салам», 2009. – 504 с.

3. Алтунин Н.П. Водозаборные узлы и водохранилища . - М.: Колос, 1964. – 429 с.

4. Талмаза В.Ф., Крошкин А.Н. Гидроморфометрические характеристики горных рек. – Фрунзе, 1968. – 204 с.