Патент на изобретение №2252985

(54) РУСЛОВОЙ ВОДОПРИЕМНИК С РЫБОЗАЩИТНЫМ УСТРОЙСТВОМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к гидротехнике и водоснабжению и предназначено для предотвращения попадания мальков рыбы в водозабор при водообеспечении различных объектов из русел рек, имеющих рыбохозяйственное значение. Водоприемник имеет массивный оголовок с обсыпкой щебнем или камнем, фильтрующие кассеты на водоприемном отверстии с фильтрующей загрузкой, водоприемный раструб, соединенный с самотечным или сифонным водоводом. Загрузка фильтрующих кассет выполнена плавающей из шарообразных элементов разного диаметра, имеющих положительную гидравлическую крупность. В верхней и нижней частях фильтрующих кассет горизонтально установлены решетки, расстояние между стержнями которых меньше диаметра шарообразных элементов плавающей фильтрующей загрузки. Расстояние между верхней и нижней решетками на 30-40% превышает толщину слоя загрузки, которая должна быть не менее 400 мм. Рыбозащита осуществляется за счет отпугивания мальков рыбы при активном перемещении шарообразных элементов плавающей фильтрующей загрузки в кассетах между верхней и нижней решетками при гидродинамическом воздействии на них потока воды, поступающей в водоприемник, и за счет механического препятствования проникновению мальков рыбы в толщу загрузки, что повышает надежность работы водоприемника и снижает энергозатраты при необходимости обратной промывки. 2 ил.

Изобретение относится к области гидротехники и водоснабжения и может применяться, в частности, для забора воды с целью водообеспечения коммунальных, производственных и мелиоративных объектов из русел рек, имеющих рыбохозяйственное значение.

Известно рыбозащитное устройство водозаборного сооружения (Авт. с. СССР №1255680, МПК⁴ Е 02 В 8/08), включающее барабан, снабженный фильтрующими кассетами, заполненными металлическими шариками, закрепленными на внешней поверхности барабана с помощью упругих элементов, что обеспечивает создание вокруг устройства импульсного звукового поля.

Недостатком известного технического решения является сложность конструкции и низкая эффективность, связанные с необходимостью обеспечения вращения барабана с металлическими шариками, что исключает возможность применения устройства для русловых водоприемников, а импульсное звуковое поле образуется в довольно узком диапазоне звуковых частот, ограничивающем эффект отпугивания мальков рыбы.

Недостатком известного технического решения является низкая эффективность, обусловленная относительно невысокими скорости фильтрации, при которых требуется существенное увеличение габаритных размеров даже для водозаборов малой производительности и возможностью глубокой кольматации фильтрующей загрузки, что требует периодической импульсной промывки, существенно усложняющей эксплуатацию водоприемника, при увеличении энергетических затрат в связи с необходимостью обеспечения работы системы промывки.

Известно рыбозащитное устройство водозаборного сооружения (Авт. с. СССР №1247456, МПК⁴ Е 02 В 8/08), включающее размещенную между бычками перегораживающего поток сооружения приемную камеру с установленными в ней с помощью системы крепления на равных расстояниях одна от другой пластинами и плоскими сетками, привод для изменения положения пластин и сеток, рыбоотвод, входными окнами примыкающий к задней стенке приемной камеры, на передней стенке которой закреплены горизонтальные обтекатели, расположенные с промежутками между ними, причем с целью повышения надежности в работе и эффективности рыбозащиты система крепления пластин и плоских сеток выполнена в виде вертикальных стержней, установленных в приемной камере с возможностью перемещения вдоль своих осей с помощью привода, а на стержнях жестко закреплены пластины и плоские сетки, при этом обтекатели и входные окна рыбоотвода размещены со смещением по вертикали относительно друг друга, а боковые стенки приемной камеры в промежутках между обтекателями выполнены из сетчатого полотна с очертанием в плане по цилиндрической поверхности второго порядка. Кроме того, привод для изменения положения пластин и плоских сеток выполнен в виде понтона с системой заполнения его водой и опорожнения.

Недостатком известного технического решения является низкая эффективность, связанная со сложностью конструкции и эксплуатации устройства, в частности, с необходимостью обеспечения перемещения вертикальных стержней вдоль собственной оси, что также затрудняет возможность применения устройства для русловых водоприемников.

Известно рыбозащитное устройство (Авт. с. СССР №1254107, МПК⁴ Е 02 В 8/08), включающее устанавливаемый на всасывающем патрубке насоса сетчатый барабан, промывное приспособление, выполненное в виде водоструйной флейты и установленное внутри сетчатого барабана на оси с возможностью вращения от привода, выполненного в виде лопастной турбины, размещенной на оси, раму с возможностью поворота относительно шарнира в вертикальной плоскости. Рыба и мусор, задерживаемые сетчатым полотном барабана, смываются струями воды из водоструйной флейты. Вода во флейту поступает из напорного коллектора насоса по рукаву.

Недостатком известного технического решения является сложность конструкции и эксплуатации в связи с наличием вращающихся элементов, трубопроводов подачи промывной воды от насоса, что исключает или существенно затрудняет возможность применения устройства для русловых водоприемников и при ограниченных глубинах потока в русле реки.

Известно рыбозащитное устройство (Авт. с. СССР №1428805, МКИ⁶ Е 02 В 8/08), включающее камеру, установленную в водоисточнике, фильтрующее приспособление, выполненное в виде плоских сетчатых пластин, привод поворота сетчатых пластин, перфорированные трубы, патрубок, подпятник, поворотные створки, напорный водовод и стопор, причем камера выполнена в виде цилиндра с возможностью его вращения в вертикальной плоскости, поперечное сечение которого представляет собой звезду. При этом грани цилиндра выполнены из плоских сетчатых пластин. Забор воды осуществляется через плоские сетчатые пластины, водоприемные окна патрубка, установленного на оси во внутренней полости цилиндра. Одновременно вода, подаваемая по напорному водоводу, поступает к подпятнику и во внутреннюю полость нижнего основания цилиндра и далее к перфорированным трубам, создавая водоструйную завесу и приводя камеру во вращение.

Недостатком известного технического решения является сложность конструкции и эксплуатации в связи с наличием вращающихся элементов, что также существенно снижает надежность работы устройства и затрудняет возможность его оперативного ремонта при относительной труднодоступности к отдельным элементам конструкции. Это исключает или существенно затрудняет возможность применения устройства для русловых водоприемников и при ограниченных глубинах потока в русле реки. Кроме того, рыбозащита за счет создания водоструйной завесы при относительно высоких энергозатратах остается низкоэффективной и не находит широкого применения в практике.

Известен береговой водозабор фильтрующего типа (Авт. с. СССР №1234544, МКИ⁴ Е 03 В 3/32), содержащий плавающую фильтрующую зернистую загрузку, приемно-всасывающую камеру с трубой подачи в нее воды, привод, датчик перепада уровней, причем водозабор снабжен сетчатым барабаном с горизонтальной трубой, разделенным перегородками на секции, прижимными роликами и блоком управления, при этом плавающая зернистая фильтрующая загрузка размещена в сетчатом барабане, горизонтальная труба установлена на трубе подачи воды, выполненной с отверстиями в нижней части, и кинематически связана с приводом, соединенным через блок управления с датчиком перепада уровней, а прижимные ролики прикреплены к торцам перегородок наружной поверхностью трубы подачи воды и сетчатым барабаном.

Недостатком известного технического решения является сложность конструкции и эксплуатации в связи с наличием вращающихся элементов, что также существенно снижает надежность работы устройства и затрудняет возможность его оперативного ремонта при относительной труднодоступности к отдельным элементам конструкции. Это исключает или существенно затрудняет возможность применения устройства для русловых водоприемников и при ограниченных глубинах потока в русле реки.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому эффекту является сборный фильтрующий водоприемник (Расчет и конструирование водозаборных узлов. А.М.Тугай. – Киев, “Будiвельник”, 1978, стр.67, табл.15), имеющий фильтрующие пласты (кассеты) на водоприемном отверстии, водоприемный раструб, направляющие на входе в самотечный или сифонный водовод и обсыпку оголовка щебнем или камнем. Такой русловой водоприемник эффективно применяется на реках со средними и тяжелыми условиями забора воды, в частности при большом количестве влекомых наносов и при тяжелых шуголедовых условиях при средней и большой производительности водозабора. Сборный фильтрующий водоприемник обеспечивает эффективную рыбозащиту и может изготавливаться в заводских условиях.

Недостатком известного технического решения является сложность монтажа и эксплуатации фильтрующего водоприемника, обусловленная большими габаритами из-за малой скорости протока воды в фильтрующей загрузке, а также необходимостью создания высокого давления, необходимого для промывки загрузки при ее глубокой кольматации.

Задачей изобретения является создание нового водоприемника для забора воды из русла реки, обеспечивающего надежную рыбозащиту за счет активного перемещения шарообразных элементов плавающей фильтрующей загрузки в кассетах – отпугивания мальков рыбы и механического препятствования их проникновению в толщу загрузки и водоводы при упрощении эксплуатации и снижении энергозатрат на промывку в случае ее необходимости.

Указанная задача решается следующим образом.

В известном русловом водоприемнике с рыбозащитным устройством, имеющим массивный оголовок с обсыпкой щебнем или камнем, фильтрующие кассеты на водоприемном отверстии с фильтрующей загрузкой, водоприемный раструб, соединенный с самотечным или сифонным водоводом, загрузка фильтрующих кассет выполнена плавающей из шарообразных элементов разного диаметра, имеющих положительную гидравлическую крупность, в верхней и нижней частях фильтрующих кассет горизонтально установлены решетки, расстояние между стержнями которых меньше диаметра шарообразных элементов плавающей фильтрующей загрузки, расстояние между верхней и нижней решетками на 30-40% превышает толщину слоя загрузки, толщина слоя которой должна быть не менее 400 мм.

Отличительными от прототипа признаками являются:

– загрузка фильтрующих кассет выполнена плавающей из шарообразных элементов разного диаметра, имеющих положительную гидравлическую крупность;

– в верхней и нижней частях фильтрующих кассет горизонтально установлены решетки;

– расстояние между стержнями решеток меньше диаметра шарообразных элементов плавающей фильтрующей загрузки;

– расстояние между верхней и нижней решетками на 30-40% превышает толщину слоя загрузки;

– толщина слоя плавающей фильтрующей загрузки должна быть не менее 400 мм.

Загрузка фильтрующих кассет выполнена плавающей из шарообразных элементов разного диаметра, имеющих положительную гидравлическую крупность, что позволяет одновременно обеспечить низкое гидравлическое сопротивление и достаточную плотность взаиморасположения элементов разного диаметра. Низкое гидравлическое сопротивление потоку воды, проходящей через фильтрующую загрузку, обусловливается ее гидродинамическим взаимодействием с этим потоком, когда происходит притапливание и всплывание элементов загрузки при относительно высоких скоростях протока. Это позволяет снизить энергозатраты при проведении гидравлической промывки фильтрующих кассет в случае необходимости, например при скоплении мусора на водоприемной поверхности. Высокие скорости протока воды через плавающую фильтрующую загрузку позволяют существенно сократить габаритные размеры водоприемника. Достаточно высокая плотность взаиморасположения элементов загрузки разного диаметра создает механическое препятствие проникновению мальков рыбы в водовод.

В верхней и нижней частях фильтрующих кассет горизонтально установлены решетки, что ограничивает диапазон перемещения плавающих шарообразных элементов в пределах кассеты и плотность фильтрующей загрузки в верхней части при этом сохраняется постоянной на протяжении всего времени эксплуатации водоприемника.

Расстояние между стержнями решеток меньше диаметра шарообразных элементов плавающей фильтрующей загрузки, что препятствует их выносу из кассет в речной поток через верхнюю решетку и в водовод – через нижнюю.

Расстояние между верхней и нижней решетками на 30-40% превышает толщину слоя загрузки, что обеспечивает достаточную плотность фильтрующей загрузки в верхней части кассет при гидродинамическом воздействии потока воды, проходящей через загрузку из реки в водовод при интенсивном перемещении плавающих элементов фильтрующей загрузки в пределах каждой из кассет, способствующем отпугиванию мальков рыб. При меньшем расстоянии между решетками возвратно-поступательное перемещение шарообразных элементов становится менее интенсивным, что снижает эффект отпугивания мальков рыбы. При большем расстоянии между этими решетками увеличиваются вертикальные размеры водоприемника, что при малой глубине воды в реке недопустимо.

Толщина слоя плавающей фильтрующей загрузки должна быть не менее 400 мм, что обеспечивает достаточное механическое препятствие проникновению мальков рыбы через загрузку внутрь водоприемника. При меньшей толщине слоя плавающей фильтрующей загрузки сокращается препятствие для мальков и повышается вероятность их прохода в водоприемный раструб и водовод.

Таким образом, обеспечивается причинно-следственная связь совокупности отличительных признаков заявляемого изобретения и достигаемого технического результата: обеспечение надежной рыбозащиты за счет эффекта отпугивания мальков рыбы при активном перемещении шарообразных элементов плавающей фильтрующей загрузки в кассетах при гидродинамическом воздействии на них потока воды, поступающей в водоприемник, и за счет механического препятствования проникновению мальков рыбы в толщу загрузки, а также упрощение эксплуатации и снижение энергозатрат при необходимости промывки.

Пример промышленной применимости изобретения.

На фиг.1 изображен поперечный разрез водоприемника с рыбозащитным устройством, размещенного в русле реки, на фиг.2 – продольный разрез водоприемника с рыбозащитным устройством, размещенного в мелиоративном канале для обеспечения забора воды мелиоративной насосной станцией. Русловой водоприемник имеет массивный оголовок 1 с обсыпкой 2 щебнем или камнем, съемные фильтрующие кассеты 3 на водоприемном отверстии оголовка 1 с фильтрующей загрузкой 4, выполненной плавающей из шарообразных элементов разного диаметра, имеющих положительную гидравлическую крупность, водоприемный раструб 5, соединенный с самотечным или сифонным водоводом 6, в верхней и нижней частях фильтрующих кассет 3 горизонтально установлены решетки 7, расстояние между стержнями которых меньше диаметра шарообразных элементов плавающей фильтрующей загрузки 4, расстояние между верхней и нижней решетками на 30-40% превышает толщину слоя загрузки, который должен быть не менее 400 мм. В пределах водоприемного раструба 5 установлен отражатель 8 для обеспечения относительно равномерного распределения воды в водоприемном раструбе 5. Массивный оголовок 1 размещен на дне 9 речного русла или мелиоративного канала с уровнем воды 10 в реке, обеспечивающим оптимальные условия забора воды. Стрелками показано направление движения воды.

Русловой водоприемник с рыбозащитным устройством работает следующим образом.

Вода из русла реки (фиг.1) или мелиоративного канала (фиг.2) поступает через водоприемную часть массивного оголовка 1 водоприемника, выполняемого, например, из железобетонных конструкций и имеющего обсыпку 2, что обеспечивает его устойчивость и предохраняет от разрушения крупными плавающими предметами, в фильтрующую загрузку 4. Загрузка 4 фильтрующих кассет 3 выполнена плавающей из шарообразных элементов разного диаметра, имеющих положительную гидравлическую крупность. Плавающие шарообразные элементы могут изготавливаться из пенополистирола посредством высокотемпературной формовки. Плотность шарообразных элементов, изготовленных из этого материала, составляет 0,05-0,22 кг/дм³, что обеспечивает их плавучесть. Пенополистиролы марки ППС и ПСБ не влияют на органолептические свойства воды (Шефтель О.В. Санитарно-гигиеническая характеристика синтетических материалов, применяемых в системах водоснабжения. /ВНИИГИНТОКС – обзорн. информ. №2,-М.: ЦБНТИ Минводхоза СССР, 1981, стр.23-24), что допускает возможность их применения в качестве фильтрующей загрузки 4 кассет 3 водоприемника. Шарообразные элементы фильтрующей загрузки 4 должны быть разного диаметра в диапазоне от 15 до 40-50 мм. Это позволяет одновременно обеспечить низкое гидравлическое сопротивление и достаточную плотность взаиморасположения элементов разного диаметра в каждой из кассет 3. При указанном сочетании размеров шарообразных элементов загрузки 4 размеры пор между этими элементами составляют 1,5-4,0 мм, что вполне удовлетворяет требованиям рыбозащиты (СНиП 2.06.07-87. Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения /Госстрой СССР. – М.: ЦИТП, 1987. стр.10, табл.5). Низкое гидравлическое сопротивление потоку воды, проходящей через фильтрующую загрузку 4, обусловливается ее гидродинамическим взаимодействием с этим потоком, когда происходит притапливание и всплывание элементов загрузки 4 при относительно высоких скоростях протока. Это позволяет снизить энергозатраты при проведении гидравлической промывки фильтрующих кассет 3 в случае необходимости, например, при скоплении мусора на водоприемной поверхности оголовка 1. Высокие скорости протока воды (до 0,3-0,5 м/с) через плавающую фильтрующую загрузку 4 позволяют существенно сократить габаритные размеры водоприемника. Достаточно высокая плотность взаиморасположения элементов фильтрующей загрузки 4 разного диаметра создает механическое препятствие проникновению мальков рыбы в водовод 6.

Фильтрующие кассеты 3 целесообразно выполнять съемными для обеспечения возможности их быстрого демонтирования и замены в случае, например, разрушения части шарообразных элементов фильтрующей загрузки 4. В верхней части фильтрующих кассет 3 горизонтально установлены решетки 7. Расстояние между стержнями решеток 7 меньше диаметра шарообразных элементов плавающей фильтрующей загрузки 4, что препятствует их выносу в речной поток. Такие же решетки 7 установлены в нижней части кассет 3, они препятствуют выносу шарообразных элементов плавающей фильтрующей загрузки 4 в водоприемный раструб 5 и самотечный водопровод 6. Решетки 7 ограничивают диапазон перемещения плавающих шарообразных элементов в пределах кассет 3, при этом плотность этих элементов и фильтрационное сопротивление загрузки 4 остаются примерно постоянными на протяжении всего периода работы оголовка 1. При этом расстояние между верхней и нижней решетками 7 должны на 30-40% превышать толщину слоя загрузки 4, что обеспечивает при достаточной ее плотности интенсивное возвратно-поступательное перемещение в вертикальном направлении плавающих элементов фильтрующей загрузки 4 в пределах каждой из кассет при гидродинамическом воздействии потока воды, проходящего через загрузку 4, на эти элементы. Такое перемещение плавающих элементов загрузки 4 способствует отпугиванию мальков рыб. При меньшем расстоянии между решетками 7 возвратно-поступательное перемещение шарообразных элементов становится менее интенсивным, что снижает эффект отпугивания мальков рыбы. При большем расстоянии между этими решетками 7 увеличиваются вертикальные размеры водоприемника, что при малой глубине воды в реке недопустимо. Толщина слоя плавающей фильтрующей загрузки 4 должна быть не менее 400 мм, что при диаметре шарообразных элементов в пределах 15-50 мм обеспечивает достаточное механическое препятствие проникновению мальков рыбы через загрузку внутрь водоприемника. При меньшей толщине слоя фильтрующей загрузки 4 сокращается препятствие для мальков и повышается вероятность их прохода в водоприемный раструб 5 и водовод 6.

После прохода через фильтрующую загрузку 4 вода попадает в водоприемный раструб 5, который обеспечивает относительно равномерное распределение воды по площади и, следовательно, скорости протока воды во всех кассетах 3 примерно одинаковы. Для обеспечения большей равномерности распределения воды по площади фильтрующих кассет 3 в пределах водоприемного раструба 5 может устанавливаться отражатель 8. Обтекая отражатель 8, вода попадает в самотечный или сифонный водовод 6, по которому транспортируется в береговой водоприемный колодец водозабора и из него с помощью насосов на очистные сооружения или непосредственно потребителю. В соответствии с общими требованиями к водозаборным сооружениям расстояние от водоприемной поверхности оголовка 1 – от верхней решетки 7 до нижней поверхности ледяного покрова должно быть не менее 0,3 м. При значительном колебании уровней 10 в реке или мелиоративном канале (фиг.2) водоприемник с рыбозащитным устройством может выполняться каскадным.

Таким образом, при общей простоте конструкции русловой водоприемник с рыбозащитным устройством в виде фильтрующих кассет 3 с загрузкой 4 из плавающих шарообразных элементов обеспечивает достаточно надежную защиту мальков рыбы от попадания в водовод 6 и далее в береговой водоприемный колодец водозабора.

Формула изобретения

Русловой водоприемник с рыбозащитным устройством, имеющий массивный оголовок с обсыпкой щебнем или камнем, фильтрующие кассеты на водоприемном отверстии с фильтрующей загрузкой, водоприемный раструб, соединенный с самотечным или сифонным водоводом, отличающийся тем, что загрузка фильтрующих кассет выполнена плавающей из шарообразных элементов разного диаметра, имеющих положительную гидравлическую крупность, в верхней и нижней частях фильтрующих кассет горизонтально установлены решетки, расстояние между стержнями которых меньше диаметра шарообразных элементов плавающей фильтрующей загрузки, расстояние между верхней и нижней решетками на 30-40% превышает толщину слоя загрузки, толщина слоя которой должна быть не менее 400 мм.

РИСУНКИ