Повышение эффективности гидравлической промывки загрязняемых речных русел

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ПРОМЫВКИ ЗАГРЯЗНЯЕМЫХ РЕЧНЫХ РУСЕЛ

Суйкова Наталья Валерьевна

Москва-2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете

Научный руководитель -- доктор технических наук, профессор Боровков Валерий Степанович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук Асарин Александр Евгеньевич - кандидат химических наук Печников Владимир Георгиевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО Московский государственный университет природообустройства

Защита диссертации состоится «16» сентября 2008 года в 15-30 на заседании диссертационного совета Д 212.138.03 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу:

Москва, Спартаковская ул., дом 2/1, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан « » августа 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Г.В. Орехов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Устранение антропогенных факторов, приводящих к прогрессирующему загрязнению водотоков, протекающих на урбанизированных территориях, невозможно в связи с неизбежным поступлением в них загрязнений и остающейся необходимостью использования водотоков для хозяйственных целей.

Естественный режим стока и самоочищения водотока все более нарушается, русло его загрязняется и деградирует, водоток самостоятельно не может справиться с этими проблемами. Важнейшим мероприятием для оказания помощи водотоку является очистка его русла. Применение методов землечерпания может рассматриваться лишь как эпизодический метод очистки русла, когда толщина слоя отложений достигает 0,5-1,0 м. Для накопления слоя такой толщины необходим период в 30-40 лет, в течение которого русло реки будет находиться в загрязненном состоянии. Применение этого громоздкого и дорогостоящего метода не решает проблемы коренного улучшения экологического состояния водотока.

Более дешевым и оперативным способом является гидравлическая промывка русла, которая может производиться в периоды высоких половодий, либо с помощью специально создаваемых залповых попусков. Исследования гидравлической промывки, осуществляемой на р. Москве, выполненные рядом организаций (Гидропроект, МосводоканалНИИпроект, Мосинжпроект, МГСУ), показали, что вследствие влияния многих новых и слабоизученных факторов такая промывка является недостаточно эффективной и требует больших затрат воды. Среди этих факторов остаются изменение физико-механических свойств внутрирусловых грунтов под влиянием загрязнений, поступающих в водотоки, особенности размыва и транспортирования наносов, поступающих с урбанизированной территории и имеющих специфические особенности. Важным фактором является несогласованный режим работы регулирующих сооружений, недостаточная изученность гидравлики речных потоков при нестационарных режимах течения. Особую важность представляют вопросы осаждения и транспортирования мелкодисперсных взвесей, которые адсорбируют на своей сильно развитой поверхности основную часть загрязняющих веществ и которые должны в первую очередь удаляться при очистке загрязняемых русел. Рассмотрению, анализу и исследованию этих актуальных вопросов для повышения эффективности гидравлической промывки загрязняемых речных русел посвящена диссертационная работа.

Цель работы -- повышение эффективности гидравлической промывки загрязняемых речных русел путем обоснованного регулирования гидравлических режимов и усовершенствования применяемых технологий.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

1. Исследование причины деградации речных русел, загрязняемых в результате хозяйственного использования рек и влияния урбанизации.

2. Изучение расчетно-аналитическими методами процессов осаждения и консолидации мелкодисперсных взвесей в придонных слоях потока с образованием расслоенного придонного течения, образование которого способствует загрязнению речного русла.

3. Исследование распределения мелкодисперсных взвесей в толще потока с использованием уточненных физических моделей, учитывающих новые данные по структуре турбулентности и кинематике течения.

4. Определение на основе лабораторных исследований физико-механических свойств мелкодисперсных русловых грунтов.

5. Обработка и обобщение имеющихся натурных данных по выявлению гидравлических и иных факторов, влияющих на эффективность гидравлической промывки загрязняемых русел.

6. Разработка предложений по регулированию гидравлического режима и применению новых технологий для повышения эффективности гидравлической промывки загрязняемых русел.

Объект исследования -- гидравлическая промывка загрязняемых русел, гидравлические режимы речного потока при промывке русла, физико-механические свойства мелкодисперсных русловых грунтов, содержащих техногенные примеси, условия осаждения мелкодисперсных взвесей и условия их транспортирования при гидравлической промывке, обоснование параметров залповых сбросов и применение новых технологий для повышения эффективности гидравлической промывки загрязняемых речных русел.

Рабочая гипотеза. Эффективность гидравлической промывки загрязняемых речных русел может быть повышена за счет создания залповых попусков и применения технологий, учитывающих особые физико-механические свойства загрязненных русловых грунтов, специфику осаждения мелкодисперсных взвесей и транспортирования их речным потоком.

Научная новизна результатов диссертационной работы:

1. Расчетно-аналитическое обоснование степени влияния сил сцепления между частицами мелкодисперсного грунта на их осаждение и хлопьеобразование.

2. Разработка физической модели и критериев существования и разрушения придонного мутьевого слоя, проверенных данными лабораторных измерений.

3. Уточнение диффузионной модели и расчетной зависимости распределения мелкой взвеси в речном потоке.

4. Новые зависимости и соотношения, обобщающие данные натурных измерений кинематики течения и мутности речных потоков в режимах гидравлической промывки речного русла.

Достоверность научных положений обеспечена применением апробированных методов гидромеханического анализа, тщательной подготовкой и проведением лабораторных исследований и натурных испытаний, совпадением полученных аналитически результатов с данными выполненных лабораторных и натурных исследований других авторов.

Практическая значимость диссертации. Повышение эффективности гидравлической промывки загрязняемых речных русел в пределах городских территорий, экономия затрат воды на цели промывки, обоснование принципов организации постоянно действующей системы гидравлической очистки речных русел с применением гидравлической промывки и использованием городских очистных сооружений в периоды их неполной загруженности для обработки загрязненных речных илов.

На защиту выносятся:

· аналитические зависимости для определения сил сцепления между частицами мелкодисперсного грунта и условий хлопьеобразования;

· критерий существования и разрушения придонного мутьевого слоя;

· диффузионная модель и расчетная зависимость для распределения мелкой взвеси в речном потоке;

· результаты обобщения данных натурных измерений кинематики течения и мутности речных потоков в режимах гидравлической промывки.

Апробация работы. Основные результаты и положения работы опубликованы в 2 статьях.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, библиографии и приложений; изложена на 149 страницах машинописного текста, включает 28 рисунков, 4 таблицы, 1 приложение и список литературы из 137 наименований.

Во введении на основе анализа результатов ранее выполненных теоретических и экспериментальных исследований и опыта практического применения метода гидравлической промывки русел рек показана целесообразность усовершенствования этого метода с учетом влияния факторов урбанизации, сформулированы цель и задачи диссертационного исследования, определены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе подробно рассмотрены причины деградации речных русел в условиях урбанизации.

Обоснование и разработка инженерных мероприятий по их очистке требуют количественного учета факторов, вызывающих загрязнение. В работе выполнена систематизация этих факторов, необходимая для разработки решений по рациональному использованию водных ресурсов, регулированию водного стока и русловых процессов, очистки речных русел от загрязнения и обмеления.

Урбанизация территории и связанные с ней производственные и коммунальные проблемы формируют широкий спектр факторов, которые влияют на состояние водных объектов. Эти факторы приводят к изменению водного стока, твердого стока и к изменению границ речного русла.

Среди этих факторов значительная роль принадлежит мелкодисперсным взвесям техногенного происхождения, физико-механические свойства и степень влияния которых на внутрирусловые процессы изучены недостаточно.

Гидравлическая промывка, которая осуществляется в настоящее время, ставит ряд вопросов, требующих дополнительных исследований:

1. Для промывки требуются значительные объемы воды, возможность расходования которых в условиях нарастающего дефицита водных ресурсов становится маловероятной. Необходимы новые подходы, позволяющие снизить расходы воды на осуществление гидравлической промывки.

2. Снижение вероятности расходования весеннего стока приводит к значительному увеличению интервалов времени между промывками, что способствует консолидации донных отложений, увеличивающей их сопротивляемость к размыву. Необходимо выполнить детальные исследования физико-механических свойств отложений для более точного прогнозирования процессов седиментации, взмучивания и транспортирования наносов водным потоком.

3. При промывке русла происходит перемещение загрязнений на участки водотока за пределы урбанизации, что влечет вредные экологические последствия для прилегающих территорий. Следует рассмотреть возможность организации схемы промывки, которая исключала бы такие последствия.

4. При увеличенных расходах воды в периоды гидравлических промывок не размываются отложения в прибрежных зонах, где скорости потока малы, что требует разработки дополнительных мероприятий по взмучиванию отложений в этих зонах.

Перечисленные обстоятельства определяют направление диссертационной работы на поиск и обоснование альтернативных методов промывки загрязняемых речных русел, обладающих эффективностью и экономичностью.

Попытки выявить и учесть факторы урбанизации были предприняты первоначально в гидрологии (работы В.В. Куприянова, И.А. Шикломанова). Методология прогнозирования русловых процессов на участках рек, подверженных урбанизации, разработана Б.Ф. Снищенко.

Трудами отечественных ученых В.М. Лохтина, Н.С. Лелявского, В.Н. Гончарова, М.А. Великанова, Н.А. Михайловой, а также Н.Е. Кондратьева, Н.И. Маккавеева, А.В. Караушева, К.И. Россинского, К.В. Гришанина и других установлены важнейшие закономерности течения, гидравлического сопротивления и развития руслового процесса для естественного состояния водотоков, не отягощенного антропогенным влиянием. Основы гидроморфологической теории руслового процесса разработаны учеными ГГИ (Н.Е. Кондратьевым, И.В. Поповым, Б.Ф. Снищенко). Большой вклад в исследование русловых процессов сделан Н.А. Ржаницыным и Е.К. Рабковой, И.Ф. Карасевым, Н.С. Знаменской, В.С. Лапшенковым, Р.С. Чаловым. Механика взвешивания и транспортирования наносов детально изучена В.К. Дебольским, Н.Н. Гришиным, А.Б. Клавеном, З.Д. Копалиани. Существенно продвинуто также изучение характера воздействия на русловой процесс регулирующих сооружений.

Однако разработанные теоретические подходы, многочисленные натурные и экспериментальные данные получены в условиях, при которых антропогенные факторы слабо влияли на речной сток, состояние водосборных площадей и транспорт наносов. Действие этих факторов ставит речную сеть в совершенно новые условия, вызывают ее неблагоприятное и необратимое переформирование. В этих условиях многие закономерности, установленные ранее, оказываются сомнительными, либо вовсе непригодными.

Возникает настоятельная необходимость развития новых ветвей русловой науки, связанных с формированием стока, динамикой речного потока и русловым процессом на участках рек, подверженных влиянию урбанизации.

Вторая глава посвящена расчетно-аналитическим исследованиям процессов осаждения, консолидации, размыва и транспортирования мелкодисперсных взвесей водным потоком.

Доля мелкодисперсных взвесей (d < 0,1 мм) в составе донных отложений изменяется от 40% до 90% и возрастает по длине водотока. Основным их источником являются поверхностные ливневой и талый стоки с городских территорий, в которых взвеси содержат значительное количество органических и химических загрязняющих веществ. Часть взвесей поступает в водотоки с неочищенными или частично очищенными производственными сточными водами.

При рассмотрении факторов, влияющих на самоочистительную способность водотока, русловой процесс ранее не учитывался. Считалось, что самоочищение речной воды происходит под действием химических и микробиологических процессов, происходящих непосредственно в самой воде. Вместе с тем, осаждение взвесей представляет собой важное звено в процессе самоочищения речной воды. Мелкодисперсная взвесь в виде илистых, пылеватых и коллоидных частиц вследствие чрезвычайно развитой поверхности является активным адсорбентом, изымающим из воды многие химические соединения и органические вещества. На поверхности частиц осуществляется жизнедеятельность водных микроорганизмов, утилизирующих вредные примеси и органические вещества. В результате этих процессов масса частиц возрастает, устойчивость коллоидов нарушается, происходит коагуляция частиц, объединение их в хлопья и осаждение на дно реки.

Наблюдения за состоянием дна водотоков ниже центров урбанизации обнаруживают характерные признаки его загрязненности на расстоянии в 10-15 км. Это позволяет предположить, что процесс самоочищения речной воды связан не только с окислением примесей, а и с их сорбцией на мелкую взвесь с последующей ее седиментацией в речное русло. «Потерянные» водой органические и другие примеси аккумулируются в донных отложениях и продолжают окисляться, однако условия их "переработки" изменяются и будут существенно зависеть от хода руслового процесса. Механизм самоочищения, связанный с седиментацией, обеспечивает удаление примесей из воды за несколько десятков часов, в то время как биохимическая стабилизация органических примесей идет весьма медленно и может длиться несколько лет.

В активной фазе руслового процесса в периоды интенсивных половодий, когда превышается условие предельной устойчивости частиц к размыву и верхний слой донного грунта приходит в движение и перемещается, возобновляются и интенсифицируются процессы аэробного окисления примесей, находящихся на дне. Вследствие подвижки частиц донного грунта в виде сальтации, перекатывания, перемещения гряд в зону активного окисления попадают частицы, доступ кислорода к которым ранее отсутствовал. Таким образом, и в активной фазе русловой процесс существенно влияет на окисление загрязненных донных отложений и качество речной воды, поэтому может быть столь важным направленное воздействие на эти процессы.

Выполненное сопоставление известных уравнений Стриттера-Фелпса для процесса потребления кислорода загрязненной водой и уравнения сорбционного процесса позволило выявить их идентичность и установить существенную зависимость коэффициента сорбции от концентрации мелкодисперсной взвеси См и продолжительности процесса t

,

где С -- концентрация кислорода.

Это выражение показывает, что кинетика процесса сорбции существенно изменяется по мере седиментации взвеси. Этот вывод качественно согласуется с предположением И.Д. Родзиллера, который считал, что "сорбционное извлечение веществ из воды является ее очисткой от этих веществ с перемещением загрязняющих веществ (из растворенного в воде состояния) на поверхность сорбирующих частиц и вместе с ними на дно водоема".

В связи со значительным влиянием мелкодисперсных взвесей на загрязнение речных русел и качество речной воды, детальные исследования процессов взаимодействия частиц, особенностей их осаждения и консолидации в русле, а также размыв и транспортирование их речными потоками составляют основу для прогнозирования гидроэкологических процессов и разработки инженерных мероприятий по регулированию водного режима и очистки русел на урбанизированных территориях.

Эффекты в зоне контакта жидкости с поверхностью частиц приводят к возникновению сил сцепления, которые могут оказывать существенное влияние на устойчивость мелкодисперсных грунтов к размыву. Характер этих сил, а также их связь с параметрами грунта до настоящего времени были изучены недостаточно.

Несмотря на очевидные достижения физической и коллоидной химии, строгая теория взаимного притяжения частиц в воде до настоящего времени еще не создана.

Анализ электродинамического взаимодействия мелкодисперсных частиц водонасыщенного грунта, окруженных ионными оболочками, позволил получить зависимость для напряжения сцепления, возникающего между частицами мелкодисперсного водонасыщенного грунта.

,

где т и пр -- толщина зоны взаимодействия частиц и толщина слоя прочно связанной воды; d -- диаметр частиц; k -- комплексная электродинамическая характеристика поверхности частиц.

При средних значениях величин зависимость (2) сводится к известной экспериментальной зависимости Ц.Е. Мирцхулава, которая в связи с этим приобретает бульшую обоснованность. Использование этой зависимости позволило установить, что силы сцепления соизмеримы с силой тяжести при диаметре частиц, меньших 7,7·10-4 м, что следует учитывать при расчетах устойчивости мелкозернистых грунтов к размыву. Для тщательной проверки полученного аналитически выражения необходимы дополнительные экспериментальные исследования.

Использование схемы электродинамического взаимодействия частиц с ионными оболочками позволило получить условие хлопьеобразования в виде

,

где с -- объемная концентрация мелкодисперсной взвеси,

с помощью которого было установлено, что хлопьеобразование за счет слипания мелких частиц возможно лишь при весьма высоких объемных концентрациях (более 0,3…0,5), что позволяет исключить этот процесс из дальнейшего рассмотрения.

Предложена физическая модель осаждения мелкой взвеси, учитывающая перемежаемость течения в придонном вязком подслое, его периодическое разрушение, на основе которой с использованием балансового дифференциального уравнения получено выражение для изменения концентрации взвеси в придонном слое

,

где w -- гидравлическая крупность взвеси; t -- время.

Выражение (4) показывает, что осаждение взвеси происходит более интенсивно в зонах потока с меньшей глубиной, что соответствует данным натурных измерений, указывающим на то, что в прибрежных зонах накопление наносов происходит более интенсивно.

С использованием (4) определена протяженность зоны осаждения мелкой взвеси L0

,

где u* -- динамическая скорость; -- коэффициент гидравлического сопротивления.

Расчеты по зависимости (5) показали, что протяженность зоны осаждения (для условий средней равнинной реки) близка к 10 км, что согласуется с данными натурных изысканий МГСУ по загрязненности речных русел ниже центров урбанизации.

При малых скоростях течения и невысоком уровне турбулентности наносы будут сосредотачиваться в области потока вблизи дна, а содержание наносов в поверхностных слоях будет существенно меньшим. При достаточно высокой концентрации взвешенные наносы, в свою очередь, будут воздействовать на турбулентные характеристики потока, уровень турбулентности начнет снижаться, произойдет дальнейшее увеличение придонной концентрации наносов. Этот процесс в конечном итоге может привести к образованию малоподвижного слоя жидкости повышенной плотности, отделенного от основного потока границей раздела, то есть произойдет расслоение потока с образованием придонного мутьевого слоя.

Именно в придонном мутьевом слое мелкодисперсная взвесь техногенного происхождения в течение длительных периодов времени взаимодействует с речной водой, отдавая ей в большей или меньшей степени примеси, адсорбированные на поверхности мелких частиц. Здесь завершаются седиментационные процессы, приводящие к загрязнению и деградации речного русла. В пределах этого слоя оказывается зона активного потребления кислорода, извлекаемого из речной воды на окислительные процессы. Здесь же размещается кормовая база и зона преобладающего существования рыбы и других гидробионтов, которая оказывается в большей мере, чем основной поток, насыщена твердыми частицами и диффундирующими в водную массу вредными загрязняющими примесями. Поэтому для поддержания водотока в устойчивом экологическом состоянии необходимо удалять придонный мутьевой слой, что требует анализа гидравлических условий, позволяющих это выполнить.

В связи с отсутствием общепринятого подхода и однозначного критерия устойчивости придонного мутьевого слоя предлагается физическая схема, учитывающая данные лабораторных наблюдений, которая позволяет количественно определить условие устойчивости границы раздела мутьевого слоя с основным потоком и предельную насыщенность потока мелкой взвесью, вызывающую расслоение потока в придонном мутьевом слое.

В качестве источника возмущений верхней границы мутьевого слоя принимается крупномасштабная турбулентность руслового потока.

При рассмотрении расслоенных течений в открытых руслах масштаб возмущений hв обычно соизмеряют с глубиной потока h (hв~0,2h), в качестве скорости V0 принимают среднюю скорость потока V.

Если в качестве источника возмущений рассматривать пульсацию давления на границе раздела, вызывающую ее искажение и местный подъем на высоту hв, условие нарушения равновесия границы раздела можно записать в виде. речной русло загрязняемый урбанизация

р? > (см - )g hв = ?g hв.

При и hв=0,2h найдено предельное значение концентрации взвеси ?/, приводящее к возникновению стратификации и образованию придонного мутьевого слоя

(?/)макс>45i.

Выражение показывает, что предельное насыщение потока мелкой взвесью определяется его гидравлическим уклоном. Переходя от ?/ к весовой концентрации взвеси св при т = 2650 кг/м3, получаем условие разрушения мутьевого слоя

св макс<7,5•104i.

Полученные аналитически условия образования и разрушения придонного мутьевого слоя требуют дополнительной лабораторной проверки.

Для прогнозирования эффективности гидравлической промывки и исключения последствий распространения загрязнений в водотоке необходимо знать поведение мелкой взвеси не только в придонном мутьевом слое, но и во всей толще водного потока.

Распределение мелкой взвеси в толще потока исследовалось на основе диффузионной модели переноса с использованием дифференциального уравнения

.

Интегрирование уравнения было выполнено с использованием выражения для коэффициента турбулентного перемешивания , который определялся с использованием степенного профиля скорости

(где ) в виде:

.

Полученное решение дифференциального уравнения дает следующее распределение мелкой взвеси по глубине потока:

,

где .

Это решение, полученное без каких-либо априорных предположений о коэффициенте турбулентного перемешивания, близко к профилю Рауза-Великанова при = 0,05.

Интегрированием полученного профиля концентраций с применением разложения в ряд подынтегрального выражения найдена средняя концентрация взвеси в потоке:

.

Сопоставление расчета по зависимости (10) с данными измерений на р. Москве в паводки показывает их приемлемую сходимость.

В третьей главе описаны методика и результаты лабораторных и натурных исследований сцепления, возникающего между частицами мелкодисперсного водонасыщенного грунта, их осаждения, размыва и транспортирования водными потоками.

В процессе лабораторных исследований изучались физико-механические характеристики загрязненных внутрирусловых отложений, пробы которых отбирались бригадой водолазов в различных створах городского участка р. Москвы. Опыты показали, что механический состав отложений изменяется с нарастанием содержания мелких фракций в связи с увеличивающимся по течению поступлением мелкодисперсных техногенных взвесей с городской территории и их осаждением в речном русле.

Кроме донных отложений р. Москвы исследовались также пробы отложений, отобранные в устьевом участке р. Яузы. Отбор проб производился трубчатым пробоотборником, который позволял получать пробы поверхностного слоя грунтов толщиной до 40-50 см.

Включение в речные грунты частиц техногенного происхождения приводит к уменьшению их крупности и к возникновению сил сцепления, которые существенно влияют на устойчивость внутрирусловых грунтов к размыву. В условиях значительного влияния сил сцепления для удаления отложений с использованием размывающей способности потока требуются более высокие скорости и значительные расходы воды.

Учитывая важность этого фактора, были выполнены экспериментальные исследования сцепления на модельных водонасыщенных мелкозернистых песках крупностью от 0,07 мм до 1,25 мм, а также на реальных пробах внутрирусловых отложений р. Яузы и р. Москвы. Песчаные грунты испытывались при различном водонасыщении, пробы русловых грунтов -- в состоянии полного капиллярного водонасыщения. Период полного капиллярного водонасыщения для проб песчаных и суглинистых грунтов принимался не менее 24 часов, для русловых -- 5-6 суток.

Измерения сил сцепления были выполнены с использованием метода шарового штампа.

По результатам измерений сил сцепления в водонасыщенных песчаных грунтах различной крупности при различных нагрузках (рис. 1) была установлена обратно пропорциональная зависимость сил сцепления от диаметра частиц грунта, что качественно совпадает с результатами измерений Ц.Е. Мирцхулава.

Рис. 1. Сцепление в песчаных грунтах различной крупности

при различной нагрузке на штамп; 1 -- Р = 50 г; 2 -- Р = 100 г; 3 -- Р = 150 г; 4 -- Р = 200 г

Измерения сцепления методом шариковой пробы в песчаном грунте при различном общем влагосодержании (от 32% до 40%) показали, что при сохранении существенной зависимости сцепления от нагрузки на штамп влияние изменения общей влажности на значение сцепления невелико.

Экспериментальные исследования вязкости илов на ротационном вискозиметре М.П. Воларовича показали, что вязкость водно-иловой смеси изменяется в зависимости от концентрации и в десятки раз превышает вязкость воды.

Для проверки полученного условия разрушения придонного мутьевого слоя были обработаны данные лабораторных и натурных исследований в условиях химической и мутьевой стратификации потока. Данные экспериментальных наблюдений показали, что в случае движения верхнего, легкого слоя над неподвижным более тяжелым, граница раздела опускается, толщина движущегося слоя увеличивается, и средняя скорость движения верхнего слоя жидкости снижается. Этот процесс продолжается до тех пор, пока разность скоростей не становится меньше некоторого критического значения, срыв вихрей с гребней волн, образующихся на поверхности раздела, прекращается, и поверхность раздела принимает новое устойчивое положение. Было обнаружено, что устойчивое положение границы раздела определяется значением плотностного числа Фруда, которое зависит от концентрации взвеси (?/) и параметров потока. На основе обработанных опытных данных уточнено значение числового коэффициента в зависимости (6) для условия разрушения придонного мутьевого слоя, который оказался близким к значению 9•104 (рис. 2).

Полученные условия возникновения и разрушения придонного мутьевого слоя, образованного мельчайшими наносами внеруслового происхождения, необходимо учитывать при проектировании очистки русла и прогнозировании его санитарного состояния.



Рис. 2. График зависимости критерия Фруда от относительной разности плотностей.

Детальные исследования, выполненные на р. Москве в периоды гидравлических промывок при полностью раскрытых плотинах, регулирующих режим течения в пределах и ниже г. Москвы, показали, что по кинематическим характеристикам режим близок к обычному плавноизменяющемуся движению. Натурные исследования показали, что сохраняется подобие планового распределения скоростей в створах в очень широком диапазоне числа Рейнольдса (рис. 3).

Рис. 3. Плановое распределение скоростей в фиксированном створе р. Москвы;

1 -- Re = 0,42•106; 2 -- Re = 0,47•106; 3 -- Re = 0,52•106; 4 -- Re = 0,82•106; 5 -- Re = 0,95•106; 6 -- Re = 2,78•106; 7 -- Re = 2,81•106; 8 -- Re = 4,0•106; 9 -- Re = 4,35•106; 10 -- Re = 5,5•106; 11 -- Re = 5,85•106

При залповых попусках увеличение скоростей течения, достаточное для размыва донных отложений, не может быть обеспечено по всей ширине русла. В прибрежных зонах, занимающих обычно 30-40% ширины русла, глубины невелики и скорости течения во всех случаях остаются недостаточными для размыва донных отложений.

Обработка натурных данных позволила получить выражение, описывающее распределение мутности в речном потоке:

.

Установленная недостаточная эффективность гидравлической промывки путем продолжительных, по сути стационарных режимов течения требует разработки мероприятий для повышения эффективности гидравлической промывки, к которым следует отнести залповые попуски и взмучивание донных отложений. В связи с этим были проанализированы результаты натурного эксперимента по распространению волны залпового попуска на 5-километровом участке р. Яуза ниже подпорного шлюзового сооружения с перепадом уровней между верхним и нижним бьефом около 5 м. Залповый сброс производился с расходом в 25 м3/с, пятикратно превышавшим бытовой меженний расход р. Яузы.

Было установлено, что скорость распространения волнового фронта описывается зависимостью

,

где ; n -- шероховатость русла по Маннингу.

Скорость распространения волнового фронта для условий опыта приближается к скорости второго стационарного режима на расстоянии, превышающем 1000h. С увеличением глубины интенсивность затухания скорости волнового фронта уменьшается и волновой характер движения наблюдается на значительно большем расстоянии.

В четвертой главе рассмотрена очистка речных русел на урбанизированных территориях с использованием гидравлических технологий.

Рассмотрена возможность проведения гидравлической промывки с быстрым нарастанием расхода, определяемым лишь временем открытия затворов регулирующего гидротехнического сооружения (обычно 10-15 мин). При таких условиях организации залпового сброса в русле будет достаточно быстро распространяться волна возмущения, приводящая к быстрому возрастанию скорости течения и интенсивному размыву донных отложений. Режим залпового попуска устанавливают таким образом, чтобы выполнялись следующие условия: 1) достижение максимально возможной скорости течения при заданном объеме сброса для целей промывки; 2) отсутствие подтопления береговых сооружений и городской территории, а также обмеления водотока после прохождения волны попуска; 3) обеспечение допустимой скорости подъема и спада уровней по условиям отстоя судов.

Характеристики речного потока при залповых сбросах, рассчитанные методом численного интегрирования уравнений Сен-Венана на кафедре гидравлики МГСУ под руководством проф. А.В. Мишуева, показали, что возможно достижение размывающих скоростей течения при сравнительно невысоких расходах воды.

В связи с этим, в диссертационной работе предлагается новая технология для удаления загрязненных донных отложений из русла реки (применительно к г. Москве) с последующей переработкой их на городских очистных сооружениях.

Суть предлагаемой технологии заключается в следующем. Залповыми сбросами воды через Карамышевскую плотину (с периодичностью в 15-30 суток) при опережающем допустимом понижении уровня воды в верхнем бьефе Перервинского гидроузла отложения, поступающие в русло р. Москвы и еще не успевшие консолидироваться, перемещаются на участок реки протяженностью 4-5 км, примыкающий к Перервинскому гидроузлу, где они осаждаются при малых скоростях течения.

Компактный участок аккумуляции осадков и значительные их объемы делают целесообразным создание здесь постоянно действующей системы удаления осадков из зоны их аккумуляции с перекачкой их на Курьяновскую станцию аэрации, расположенную поблизости, для их последующей обработки.

Поскольку Курьяновская станция аэрации может принимать речную водогрунтовую смесь только в период недогрузки (в ночные часы), в системе необходимо устройство буферной емкости для подачи в нее водно-грунтовой смеси в те часы, когда Курьяновская станция не может их принимать. В буферной емкости необходим земснаряд для разработки осадка и подачи его на Курьяновскую станцию аэрации в период ее недогруженности.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Урбанизация оказывает существенное влияние на качество воды в реках, на русловые процессы и динамику речного потока. Обоснование и разработка мероприятий по очистке загрязняемых русел требуют количественного учета этих факторов. Анализ процесса и результатов гидравлических промывок и анализ особенностей формирования в городе слоя донных отложений выявляют возможность усовершенствования технологии гидравлической промывки, повышения ее эффективности и сокращения расхода промывных попусков.

2. Качественное изменение твердого стока, поступающего в реку с урбанизированных территорий, является одним из важнейших факторов, существенно влияющих на прогрессирующую деградацию речных русел. Она связана с большим количеством мелкодисперсных взвесей техногенного происхождения, которые вследствие своей чрезвычайно развитой удельной поверхности способны адсорбировать из воды загрязняющие вещества, переходящие в осадок. Выполненные в диссертации детальные исследования процессов взаимодействия частиц мелкой взвеси, особенностей их осаждения и консолидации в грунте, а также размыв и транспортирование их речными потоками составляют основу для разработки инженерных мероприятий по регулированию водного режима и очистки русел на урбанизированных территориях.

3. Полученное в диссертации аналитическое выражение для напряжения сцепления в мелкозернистом водонасыщенном песчаном грунте показывает, что силы сцепления соизмеримы с силой тяжести при диаметре частиц, меньших 7,7·10-4 м, что следует учитывать при расчетах устойчивости мелкозернистых грунтов к размыву.

4. Полученное аналитически выражение для критерия, определяющего возникновение стратификации и образование придонного мутьевого слоя, показывает, что предельное насыщение потока мелкой взвесью определяется его гидравлическим уклоном. Полученное аналитически выражение для распределения концентрации мелкой взвеси по глубине потока указывает на весьма существенное влияние граничного условия на нижней границе взвесенесущего потока. Сопоставление результатов расчета с данными измерений на р. Москве в паводок показало их приемлемую сходимость.

5. Лабораторные и натурные исследования загрязненных донных отложений, отобранных в реке Москве и в реке Яузе, позволили получить достоверную информацию, с использованием которой были протестированы расчетно-аналитические зависимости, описывающие поведение мелкодисперсных взвесей в речном потоке.

6. В качестве важной и недостаточно изученной характеристики внутри-русловых грунтов исследовалось сцепление мелких частиц при различной крупности зерен. Установлена обратно пропорциональная зависимость сил сцепления в водонасыщенных песчаных грунтах от диаметра частиц грунта.

7. Исследования, выполненные на р. Москве в периоды гидравлических промывок при полностью раскрытых плотинах, регулирующих режим течения, показали, что по кинематическим и турбулентным характеристикам режим близок к обычному плавноизменяющемуся течению. Средняя по поперечному сечению мутность возрастает с увеличением расхода и скорости течения. Установленная малая эффективность гидравлической промывки, осуществляемой при стационарных режимах пропуска повышенных расходов воды, требует разработки мероприятий, к которым следует отнести залповые попуски и взмучивание донных отложений. Промывку русла следует производить с быстрым нарастанием расхода, определяемым лишь временем открытия затвора регулирующего сооружения. Кратковременные залповые сбросы воды позволяют удалить еще не консолидировавшийся, достаточно подвижный слой осадков.

8. В качестве эффективной технологии в диссертации предложена очистка речного русла с обработкой изымаемых загрязненных отложений на городских очистных сооружениях, в часы их недогрузки бытовыми и промышленными сточными водами. При изъятии русловых отложений предложено производить разделение фракций с использованием центробежного гидроклассификатора для отделения песка. Предлагаемое решение по созданию постоянно действующей системы удаления мелкодисперсной взвеси из придонного потока направлено на интенсификацию естественных самоочистительных процессов водотока, позволяет регулярно очищать речное русло и не связано с техногенными воздействиями на водоток, ухудшающими его экологическое состояние.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОСВЕЩЕНЫ В ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Суйкова Н.В., Маркова И.М., Боровков В.С. «Консолидация водонасыщенных мелкодисперсных взвесей и их транспортирование водными потоками» "Водоснабжение и санитарная техника", 2007, № 11.

2. Боровков В.С., Суйкова Н.В. «Регулирование русловых процессов на урбанизированных территориях» "Гидротехническое строительство", 2008, № 3.

Размещено на Allbest.ru

...