Русловой нерестовый комплекс для малых и средних рек

Размещено на http://www.allbest.ru/

Русловой нерестовый комплекс для малых и средних рек

В. Н. Шкура, А. В. Демьяненко

Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кортунова Донского государственного аграрного университета, Новочеркасск, Российская Федерация

Восстановление рыбохозяйственной значимости малых и средних рек может быть достигнуто созданием необходимых площадей нерестилищ для анадромных рыб, в том числе и искусственно построенных. Установлено, что, несмотря на многообразие имеющихся отечественных и зарубежных разработок, ни одна из известных конструкций искусственных нерестилищ не может быть применена на малых и средних реках при отсутствии перегораживающей плотины, водохранилища с накопленным в верхнем бьефе запасом водных ресурсов или по причине своей сложности. Разработанная авторами принципиально новая конструкция нерестового комплекса для малых и средних рек позволяет создавать благоприятные условия для воспроизводства как литофильных, так и фитофильных рыб. Сооружение состоит из донного порога, осуществляющего локальный подпор воды, и русловой быстроточной части. Нерестовый комплекс не перегораживает полностью сечение реки, не преграждает транзитных путей нерестовых миграций рыб и может устраиваться в русле реки последовательно. В результате этого по длине реки можно построить искусственные нерестилища требуемой для эффективного воспроизводства анадромных видов рыб площади. С учетом особенностей нереста отдельных видов анадромных рыб разработана разновидность руслового нерестового комплекса с быстротоком в виде уступов. Для обеих разновидностей нерестового комплекса разработана методика расчета геометрических и гидравлических параметров. Для малых рек быстроточную часть сооружения рекомендуется выполнять сложного профиля в виде углубленного русла трапецеидального сечения в центре и расширяющих горизонтальных полок. Центральное русло работает в маловодные годы (со стоком обеспеченностью Р < 25 %), а горизонтальные полки совместно с центральной частью выполняют функции нерестилища в более многоводные годы по стоку (Р ? 25 %) или их периоды. Для средних рек поперечный профиль руслового комплекса рекомендуется выполнять трапецеидального сечения с заложением откосов m = 2…3. Полученные результаты позволили запроектировать и построить русловой нерестовый комплекс на реке Кундрючья в 9 км от ее устья.

Ключевые слова: русловой нерестовый комплекс, гидрологический и гидравлический режим, рыбохозяйственный расход, параметры нерестилища, нерестилище составного профиля.

рыбохозяйственный река нерестилище анадромный

V. N. Shkura, A. V. Demianenko

Novocherkassk Engineering and Land Reclamation Institute of Don State Agrarian University, Novocherkassk, Russian Federation

RIVERBED SPAWNING COMPLEX FOR SMALL AND MEDIUM RIVERS

Rehabilitation of fishery significance of small and medium rivers can be achieved by creating required areas of spawning for anadromous fish including those artificially built. It was established that in spite of diversity of existing home and foreign designs there is no construction of artificial spawning which can be implemented at small and medium rivers when there is no a dam or reservoir with accumulated water resources in the upstream or because of their complexity. The developed by the authors radically new construction of spawning complex for small and medium rivers allows creating favorable conditions for reproduction either lithophilic or phytophilous fishes. The construction includes bottom sill, which conducting a local head of water, and riverbed shooting flow part. Spawning complex doesn't dike the entire cross-section of a river, doesn't block transit ways of spawning fish migration and can be settled in riverbed sequentially. As a result, along the river, an artificial spawning of required area for efficiency reproduction of anadromous fish species can be created. Assuming the specifics of spawning of particular species of anadromous fishes, a modification of the riverbed spawning complex with shooting flow as a number of benches was developed. For both varieties of spawning complex a methodology for calculating geometric and hydraulic parameters was developed. For small rivers, the part of the construction of shooting flow is recommended to make a complex profile as a deepen stream of trapezoid cross-section in its center and widen horizontal shelves. Central stream works in water-short years (with runoff probability (Р) less than 25 %), and horizontal shelves together with central part perform functions of spawning in high-water years (Р ? 25 %) or their periods. For medium rivers the cross-section profile of a riverbed spawning complex is recommended to make as a trapezoid with slopes m = 2…3. The obtained results enabled to design and build a riverbed spawning complex at the river Kundruchya in 9 kilometers from its mouth.

Keywords: riverbed spawning complex, hydrologic and hydraulic regime, fishery discharge, spawning parameters, spawning of compound profile.

Введение

Одно из первых упоминаний о создании искусственных нерестилищ встречается в работе П. М. Виноградова [1], который описал, как рыбаки для повышения эффективности нереста плотвы опускали в Галичское озеро шесты с привязанными к ним связками ельника и можжевела. Выметанная на хвою икра постоянно омывалась водой, находилась в верхнем, хорошо прогретом слое, что давало высокий рыбоводный эффект.

В течение ХХ века разработкой инженерных конструкций искусственных нерестилищ активно занимались многие отечественные специалисты технического и биологического профиля: Б. С. Малеванчик, Л. К. Малинин, А. Г. Поддубный, А. А. Чистяков, В. Н. Шкура и другие. В результате было запатентовано свыше 50 конструкций искусственных нерестилищ с широким диапазоном характеристик. Ученые в Канаде, США, Японии разработали около 100 конструкций нерестилищ. Однако, несмотря на разнообразие разработанных конструкций искусственных нерестилищ, всех их по виду субстрата можно разделить на два типа: песчано-галечные и из растительных субстратов [2]. Необходимо отметить, что большинство известных искусственных нерестилищ разработаны для озер, водохранилищ или применяются в составе крупных речных гидроузлов на рыбоходно-нерестовых каналах.

Чаще всего это достаточно громоздкие инженерные конструкции, иногда предполагающие управление ими, а значит, наличие эксплуатационных издержек. Такие конструкции искусственных нерестилищ в большинстве случаев не могут быть применены в руслах малых и средних рек (для которых в период нереста характерно значительное во времени колебание уровней воды и расходов), так как не учитывают их гидрологические особенности. Все это потребовало разработки для малых и средних рек принципиально новой конструкции нерестилища с возможностью устройства не только в составе низконапорных гидроузлов, но и на любом пригодном для этого участке реки. При этом такие нерестилища не должны нарушать нерестовые миграции производителей рыб вверх по реке, то есть не должны перегораживать русло. Конструкция нерестового комплекса по возможности должна создавать благоприятные условия для нереста как литофильных, так и фитофильных рыб. Для достижения этого нерестовый комплекс должен иметь несколько видов субстрата: донный каменно-галечный субстрат, необходимый для нереста литофильных, и растительный субстрат, необходимый для фитофильных рыб.

Большинство из перечисленных требований удалось разрешить в новой конструкции руслового нерестового комплекса (рисунок 1), расположив каменно-галечный субстрат в быстроточной и успокоительной частях сооружения, а растительный субстрат - в подпертом верхнем бьефе вдоль береговой линии [3]. Разработанная конструкция позволила удовлетворить и противоречивые требования к скоростному режиму нерестилища.

Материал и методика

Для нереста литофилов в пределах комплекса созданы участки со скоростями течения от 0,5 до 1,0 м/с, необходимыми для нереста, и успокоительная часть с постепенным гашением скорости.

1 - донная дамба; 2 - береговые дамбы; 3 - русловой быстроточный перекат; 4 - нерестилище с растительным субстратом; 5 - зимовальная яма

Рисунок 1 - Русловой нерестовый комплекс

Максимальная скорость в быстроточной части нерестилища ограничена скоростью для плавания рыб, совершающих нерестовые миграции [4]. В подпертом бьефе комплекса на затопленном растительном субстрате скоростной режим значительно ниже, что удовлетворяет требованиям фитофильных рыб. Для отдыха производителей сразу за нерестовым участком предусмотрены зимовальные ямы.

Русловой нерестовый комплекс включает донную дамбу 1, выполненную из каменно-галечной наброски; береговые дамбы 2, стесняющие русло; русловой быстроточный перекат с успокоительным участком 3; затопленный за счет подпора дамбой уровня воды участок реки выше нерестового комплекса с растительным субстратом 4; зимовальные ямы 5. Нерестовый комплекс работает следующим образом:

- производители как литофильных, так и фитофильных рыб, совершившие осенне-зимний заход в реку, могут ожидать наступления оптимальных для нереста температур воды, находясь в зимовальных ямах. Во время весеннего нерестового хода производители могут непосредственно подходить к нерестилищу, минуя зимовальные ямы;

- нерест рыб начинается при формировании требуемого температурного режима в реке и созревании икры;

- после выклевывания молодь рыб для питания скатывается в зимовальные ямы, где скорости течения малы, и, достигнув определенной стадии развития, мигрирует вниз по течению реки.

Согласно В. А. Битехтиной, З. А. Труфановой [5], некоторые виды литофильных рыб (шемая) предпочитают откладывать икру в образующиеся между камнями ниши. С учетом этих особенностей нереста авторами была разработана разновидность руслового нерестового комплекса с быстротоком, который выполнен в виде уступов, имеющих уклон
на 20-30 % меньший, чем быстроток. За счет создания уступов на нерестилище формируются гнезда из каменно-галечной отмостки. Длину уступов рекомендуется принимать от 5-10 м, высоту - до 0,1 м, количество уступов определяют с учетом параметров русловой части нерестилища (рисунок 2). Конструкция руслового нерестового комплекса не нарушает условия прохода производителей вверх по реке, такие комплексы могут располагаться последовательно друг за другом.

В естественных условиях нерест рыб, которые могут использовать нерестовый комплекс, длится пять-шесть недель, начинается у хищников (щуки, судака, окуня), фитофильной тарани, как правило, при температуре воды свыше 9 °С и достигает максимума при температурах воды 15-18 °С.

1 - донная дамба; 2 - береговые дамбы; 3 - русловой быстроток с уступами; 4 - нерестилище с растительным субстратом; 5 - зимовальная яма

Рисунок 2 - Русловой нерестовый комплекс с уступами

Такой температурный режим наблюдается в реках юга России с первой декады апреля по конец третьей декады мая. Указанный период на малых и средних реках значительно длиннее периода прохождения волны половодья, что необходимо учитывать при определении параметров нерестового комплекса. Параметры руслового нерестового комплекса должны определяться по величине рыбохозяйственного расхода, величина которого наиболее оптимально отражает гидрологический режим реки в период нереста рыб. Рыбохозяйственный расход в русловом нерестовом комплексе определяется с учетом внутригодового распределения стока года обеспеченностью = 25 % и принимается равным:

,

где - рыбохозяйственный расход нерестилища, м3/с;

- минимальный расход гидрографа на период нереста, м3/с (рисунок 3).

Рисунок 3 - Номограмма расчета рыбохозяйственного расхода

Кроме того, гидрологический режим половодья на малых и средних реках значительно отличается по интенсивности и протяженности. В связи с этим в конструкции руслового нерестового комплекса и методиках расчета его параметров предусмотрены незначительные специфические изменения, связанные с этой особенностью.

Для малых рек быстроточную часть нерестилища рекомендуется выполнять в виде углубленной центральной части, работающей в маловодные годы (со стоком обеспеченностью < 25 %), с расширяющимися горизонтальными полками. Горизонтальные полки совместно с центральной частью выполняют функции нерестилища в более многоводные годы
( ? 25 %) или их периоды. Для средних рек поперечный профиль руслового комплекса рекомендуется выполнять трапецеидального сечения с заложением откосов . При определении параметров нерестилища для малых рек живое сечение быстроточной части разбивают на отдельные фрагменты: I, II, III (рисунок 4).

Рисунок 4 - Схема русла нерестилища составного профиля

Гидравлический расчет ведется для принятых исходных данных: ширины по дну , ; заложения откоса при условии, что ; коэффициента шероховатости ; уклона ; ; минимальной скорости течения в нерестилище . С учетом принятых исходных данных и принятой схемы русла определяют площадь поперечного сечения центральной углубленной части нерестового комплекса:

, (1)

где - глубина центральной части составного профиля нерестилища.

Гидравлический расчет начинают с принятого по графику (рисунок 3) минимального расхода , при котором нерестилищем будут и центральная часть, и заливаемые полки, и определяют площадь живого сечения нерестилища:

. (2)

Если (где - площадь центральной части), то необходимо изменить параметры центральной части так, чтобы даже при минимальном расчетном рыбохозяйственном расходе горизонтальные полки были покрыты водой.

Если , то при расчетном расходе реки поток будет двигаться как по углубленной части, так и по горизонтальным полкам. В этом случае определяют площадь потока в центральной углубленной части нерестилища и над полками:

. (3)

Слой воды на полках составит:

. (4)

Определяют общую глубину в нерестилище:

, (5)

где - глубина воды в нерестилище при пропуске расходов, превышающих рыбохозяйственный.

Требуемый гидравлический уклон для создания в сооружении минимального необходимого для нерестилища скоростного режима определяют по формуле:

, (6)

где - минимально требуемая скорость в нерестилище;

- коэффициент Шези при гидравлическом радиусе .

Площадь живого сечения нерестилища определяют по формуле:

. (7)

Смоченный периметр определяют по формуле:

, (8)

где - составляющие смоченного периметра профиля нерестилища.

Приняв уклон дна сооружения равным гидравлическому, определяют отметку входного порога сооружения:

,

где - отметка выходной части нерестового комплекса;

- длина руслового быстротока нерестового комплекса.

С учетом потерь напора на входе в сооружение за счет резкого сжатия русла порог должен быть еще повышен на величину:

,

где - скорость потока в реке;

- коэффициент, равный 0,5-0,6 для диапазона от 2 до 10 [6], отметка порога должна быть равна:

.

Высота входного порога составит:

,

где - отметка дна реки в месте устройства донного порога.

Расчетная высота порога обеспечит требуемый подпор уровня воды, который распространится выше сооружения. При этом высота порога не должна превышать . Отметку уровня воды в верхнем бьефе руслового нерестового комплекса определяют по формуле:

,

где - напор над порогом руслового нерестового комплекса с учетом скорости подхода потока, определяемый по формуле:

, (9)

где - скорость подхода потока к порогу нерестового комплекса.

Одновременно для участка реки в нижнем бьефе при принятом расходе определяют бытовую глубину потока . Если , то при определении напора над порогом необходимо учитывать коэффициент подтопления [6].

С целью создания в нерестилище скоростного потока для литофильных рыб со скоростями менее разрывающих и сносящих рекомендуется порог, дно и откосы сооружения выполнять из каменно-щебеночной наброски. В этом случае крепление русла одновременно будет выполнять функцию субстрата нерестилища. С учетом того, что уклоны быстроточной части нерестового комплекса значительно меньше критических, расчет скорости течения воды ведут для принятого значения коэффициента шероховатости дна и стенок ( = 0,035…0,045) по формуле равномерного движения жидкости в открытых руслах:

.

Расчетная скорость в нерестилище во всем диапазоне расходов нерестового периода должна быть больше или равна и меньше максимально допустимой для плавания рыб по Н. Б. Стрельцовой, В. Н. Шкуре, А. А. Чистякову [4]. Если при каком-то расходе нерестового периода расчетная скорость в нерестилище превысит максимально допустимую, то нерестилище окажется временно неработоспособным. Поэтому на стадии проектирования необходимо подобрать такие параметры нерестилища (ширину по дну или заложение откосов), при которых во всем диапазоне расходов требуемый скоростной режим будет соблюдаться. С учетом принятых параметров сооружения расчет скоростного режима для всего диапазона расходов реки от расчетного до максимального по графику
(рисунок 4) в период нереста осуществляют по разработанной методике с применением формул (1)-(9).

Для иллюстрации методики авторами выполнены расчеты (таблица 1) руслового нерестового комплекса при исходных данных: = 1,0; = 0,5 м; = 5,0 м; = = 3,0 м; = 0,040; = 0,5 м/с; = 1,0 м/с.

Таблица 1 - Расчет параметров руслового нерестового комплекса

Из выполненных расчетов видно, что на нерестилище требуемые глубины и скорости создаются при расходах от 2,2 до 7,9 м3/с, при этом скорости в сооружении составят 0,50-1,00 м/с. При снижении расходов ниже 2,2 м3/с и увеличении свыше 7,9 м3/с скоростной режим в нерестилище не будет соответствовать требуемому. Таким образом, расчетные параметры не удовлетворяют требованиям и их необходимо увеличить.

На рисунке 5 показаны графики зависимости при разной ширине нерестового комплекса по дну. С использованием этих графиков можно подобрать оптимальную ширину сооружения, при которой во всем диапазоне расходов в период нереста будет обеспечено движение потока с оптимальной для нерестилища скоростью.

Результаты и обсуждение

При проектировании руслового нерестового комплекса в руслах средних рек поперечный профиль рекомендуется выполнять трапецеидального сечения с заложением откосов .

Гидравлический расчет ведется для принятых исходных параметров: ширина по дну , заложение откоса , коэффициент шероховатости , минимальная скорость течения в нерестилище . В результате расчета определяют глубину и скорость потока в нерестилище. На основании выполненных расчетов построены графики, позволяющие для русел средних рек при заложении откоса m = 2,0 определить оптимальную ширину руслового нерестового комплекса по дну (рисунок 6).

Рисунок 5 - Скорости потока в русловом нерестовом комплексе

Рисунок 6 - Графики V = f(Q) для средних рек

С использованием разработанных рекомендаций в рамках реализации проекта «Разработка системы управления водохозяйственной деятельностью в бассейне р. Кундрючья, Усть-Донецкий район. Разработка проектно-сметной документации расчистки р. Кундрючья» в 2006 г. на расстоянии 10,3 км от устья реки было построено русловое нерестилище для литофильных рыб. Русловое нерестилище запроектировано и построено на основе составленного специалистами Азовского НИИ рыбного хозяйства рыбоводно-биологического обоснования и обоснования скоростного режима для нереста проходных рыбца и шемаи.

Выводы

1 Отечественными и зарубежными инженерами разработано свыше 150 различных конструкций искусственных нерестилищ, большинство из которых не учитывают характерных особенностей стока малых и средних рек и не могут быть применены на таких реках.

2 Русловой нерестовый комплекс разработан специально для малых и средних рек и имеет быстроточную часть и участок подпора уровня воды в реке выше сооружения. Для малых рек поперечное сечение быстротока рекомендуется выполнять в виде углубленной центральной части с расширяющимися горизонтальными полками. Центральная часть работает в маловодные годы (периоды года) со стоком обеспеченностью < 25 %. Расширенная горизонтальными полками быстроточная часть выполняет функции нерестилища в более многоводные годы ( ? 25 %) или их периоды. Для создания быстротока и подпора воды выше нерестилища предусмотрен донный порог высотой менее . Для средних рек поперечный профиль руслового комплекса рекомендуется выполнять трапецеидального сечения с заложением откосов . Уклон быстроточной части определяют в зависимости от расчетной скорости при рыбохозяйственном расходе с учетом анализа скоростей во всем диапазоне расходов нерестового периода.

Список литературы

1 Виноградов, П. М. Галичское озеро и галичский рыбный промысел / П. М. Виноградов // Труды Галичского отделения Костромского научного общества по изучению местного края. - Кострома, 1914. - Вып. 1. - С. 11-68.

2 Драгин, П. А. Закладка искусственных нерестилищ / П. А. Драгин // Рыбное хозяйство. - 1964. - № 10. - С. 18-21.

3 Пат. 2444187 Российская Федерация, МПК A 01 K 61/00, E 02 B 8/08. Русловой нерестовый комплекс / Шкура В. Н., Демьяненко А. В.; заявитель и патентообладатель Новочеркасская гос. мелиоративная акад. - № 2010102285/21; заявл. 25.01.10; опубл. 10.03.12, Бюл. № 7. - 3 с.

4 Стрельцова, Н. Б. Плавательная способность рыб р. Дон и ее связь с температурой воды / Н. Б. Стрельцова, В. Н. Шкура, А. А. Чистяков; Новочеркасский инженерно-мелиоративный ин-т. - Новочеркасск, 1984. - 16 с. - Деп. в ЦНИИТЭИРХ 20.06.84, № 612 РЖ.

5 Битехтина, В. А. Разведение рыбца и шемаи на искусственных нерестилищах / В. А. Битехтина, З. А. Труфанова // Рыбное хозяйство. - 1969. - № 1. - С. 18-20.

6 Справочник по гидравлическим расчетам / П. Г. Киселёв, А. Д. Альтшуль [и др.]; под ред. П. Г. Киселёва. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1972. - 312 с.

Размещено на Allbest.ru