СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ПОДДЕРЖАНИЯ ГРАВИТАЦИОННОГО УРОВНЯ ВОДОЕМА Российский патент 1995 года по МПК E02B15/00 

Изобретение относится к гидротехническим способам защиты от наводнений, в частности к защите береговой линии от воздействия дрейфовых течений, подпирающих устья рек.

Известны способы защиты от наводнений, включающие отгораживание части водоема плотиной или дамбой с тем, чтобы преградить путь дрейфовому течению, направлением которого обычно совпадает с направление господствующего ветра, а огражденную акваторию использовать как аккумулятор стока реки, заполняемый за время воздействия неизменного по направлению ветра (1).

Такие способы, как показал опыт защиты Санкт-Петербурга, обладают существенными недостатками:
во-первых, достаточно не гарантируют от наводнений ввиду того, что при заполнении отгороженной акватории затопление береговой полосы все-таки наступает, да и в самой огражденной части под действием ветра и при малой глубине возникает дрейфовое течение, повышающее уровень воды у устья реки;
во-вторых, наличие дамбы резко уменьшает естественный водообмен у береговой линии, что приводит к образованию застойных зон в водоеме и резкому ухудшению экологической обстановки.

Известен способ улучшения вышеописанных способов путем интенсификации поддержания гравитационного уровня в водоеме, включающий отсыпку перед дамбой и за ней искусственных островков, образующих открытые каналы определенного гидравлического сопротивления для потери энергии дрейфовым течением, а также автоматически регулирующийся гидроузел с потоками в устье впадающей реки (2).

Этот способ также не решает проблемы защиты от наводнения, ибо в самих открытых каналах не устраняется воздействие ветра, вызывающего дрейфовое течение, и оно может даже усилиться из-за небольшой глубины каналов, образованных между насыпными островами.

Кроме того, никак не устраняется, а наоборот уменьшается, естественный водообмен внутри водоема из-за того, что в искусственной дельте из насыпных островов какие-то потоки будут доминирующими, а течение в других практически приостановится совсем. Экологическая же обстановка по этому способу может только ухудшиться.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ интенсификации процесса водообмена в водоеме, включающий выполнение на дне водоема выемки, продольная ось которой ориентирована по дрейфовому течению при господствующем ветре, а со стороны подветренного конца выемки выполняют слабопроницаемое незатопляемое сооружение, располагаемое по нормали к продольной оси выемки, чем создаются локальные водоворотные области, частично гасящие дрейфовое течение и, тем самым, понижающие общий уровень затопления береговой линии (3).

Этот способ предполагает создание выемок в дне водоема, что уменьшает дрейфовое течение, особенно по сравнению с мелководными каналами по способу (1), под воздействием ветров, а наличие выступающих над зеркалом водоема полупроницаемых незатопленных сооружений с подветренной стороны еще более снижает энергию дрейфового течения за счет образования и поддержания вихрей возле выемок.

Однако и этот способ не лишен недостатков из-за необходимости установки значительного количества незатопляемых сооружений, ухудшают их навигационную обстановку в водоеме и из-за образования многочисленных выемок при постоянном поддержании их геометрических размеров, противодействуя непрерывному заполнению их донным грунтом, нарушается экологическая обстановка водоема и не прекращаются экономические затраты на воспроизводство выемок. Кроме того, увеличение объема водоема будет способствовать уменьшению скорости стока рек через водоем, что также ведет к уменьшению водообмена в водоеме и нарушению экологической обстановки.

Сущность изобретения заключается в способе интенсификации процесса поддержания гравитационного уровня водоема, включающем установление предварительной связи между розой ветров и параметрами дрейфового ветрового течения в период между ледоставами и выполнении каналов в виде труб с непроницаемыми стенками, которые располагают между зеркалом водоема и дном, входными отверстиями в зоне потенциального затопления дрейфовым течением, а выходными в зоне пониженного или практически постоянного гравитационного уровня водоема. Входные отверстия каналов располагают навстречу динамическому напору устьевого потока реки. Этим организуется отток воды непосредственно из зоны повышенного уровня в зону пониженного, или хотя бы зону неизменного уровня, сохраняемого и при наличии дрейфового течения, гравитационного уровня, характерного для спокойного состояния водоема, через каналы, изолированные от дрейфового потока жидкости и вызывающего этот поток (течение) причин, в частности ветра.

Переток жидкости осуществляется либо под действием гравитационного перепада давлений на концах канала, один из которых находится в зоне затопляемых берегов, а другой в зоне нормального (при безветрии) или пониженного гравитационного уровня, либо под действием побудителей расхода, например, осевых нагнетателей. При этом каналы не обязательно располагать вдоль дрейфовых течений. Естественное течение через каналы обеспечивается как за счет энергии ветра, поднимающего уровень жидкости в водоеме (относительно гравитационного) у одного из концевых отверстий канала и понижающего (или оставляющего неизменным гравитационным) у другого концевого отверстия канала, так и за счет гидродинамического устьевого напора впадающих в водоем рек, где они имеются. Наиболее эффективным является использование каналами одновременно как напора от дрейфового течения, так и динамического напора впадающей в водоем реки. Конструкция каналов должна обеспечивать изоляцию течения в них от воздействия потоков жидкости как водоемных, так и атмосферных. Они могут быть выполнены, например, в виде труб большого диаметра круглого иди другого рационального сечения. Материал и его толщина должны обеспечивать долговечность, экологическую совместимость и достаточную жесткость для исключения влияния внешних механических возмущений на поток внутри канала. Расположение каналов в водоеме обусловлено тем, что поток в них не должен быть расположен выше уровня зеркала водоема при различных (возможных) его колебаниях. Такие же требования относятся и к отверстиям каналов.

Таким образом, энергия ветра, вызывающего дрейфовое течение и затопление берегов используется для создания круговорота воды в водоеме из зоны затопления в зону низкого гравитационного уровня через каналы и обратно по дрейфовому течению к зоне затопления, что существенно интенсифицирует водообмен и, как следствие, улучшая экологическую обстановку водоема в целом. Одновременно по каналам со скоростью, существенно превышающей скорость в открытом пространстве водоема, причем скорость эта будет тем больше, чем больше перепад уровней на концах канала, жидкость будет из зоны затопления перетекать в зоны пониженного уровня, что при соответствующем количестве каналов и их сечении обеспечит автоматическую надежную защиту от наводнений за счет перелива затопляющей воды через каналы. Кроме того, вода (жидкость), вытекающая из концевого отверстия в придонную область пониженного уровня, будет иметь скорость, направленную в противоположную ветру сторону и вызванному им дрейфовому течению, что существенно затруднит возврат такого потока в дрейфовое течение и, тем самым, уменьшит степень затопления береговой линии в целом.

На фиг. 1 представлен водоем, вид сверху; на фиг. 2 вид спереди водоема, рассеченного вертикальной плоскостью, расположенной вдоль направления дрейфового течения (передний разрез); на фиг. 3 вид слева водоема, рассеченного вертикальной плоскостью, расположенной перпендикулярно направлению дрейфового течения (боковое сечение).

На фиг. 1 схематично представлен водоем 1, береговая линия 2 и река 3, причем подверженная затоплению зона 4 представлена пунктирной линией. На фиг. 2 представлен разрез водоема 1 и часть реки 3, сплошной линией указан гравитационный уровень 5 водоема 1, а штриховой максимально возможный уровень 6 берегов водоема 1 и реки 3 за счет подпора устьевого стока последней.

Три канала 7 размещены между зеркалом водоема 1 и его дном и выполнены в виде сплошных труб с непроницаемыми для механических воздействий стенками и отверстиями на концах, причем входные отверстия, размещенные ближе к берегам каналов 7, на фиг. 2 расположены в придонной области зоны пониженного гравитационного уровня 8. Сами каналы 7 проложены по дну водоема 1. Стрелками указаны движение ветра, дрейфового течения и течения в каналах 7. На фиг. 3 показаны возможные сечения каналов: круглое, прямоугольное, овальное.

Способ осуществляется следующим образом.

Из-за поступления воды из устья реки 3 в водоем 1 затопленный берег 4 будет иметь уровень воды, несколько превышающий гравитационный. К этому добавляется слабый динамический напор, и все вместе обеспечит малое движение жидкости в каналах 7 в сторону от потенциально затопляемого берега 4, причем скорость движения воды в каналах 7 будет существенно больше, чем во всем водоеме 1 из-за отсутствия сил, противодействующих возвращению воды в открытом водоеме 1, и, тем самым, будет осуществлена интенсификация водообмена в водоеме 1 путем выноса вод из прибрежной зоны 4 в зону 8, далекую от нее, и организации в последней мощного источника. При появлении ветра (см. фиг.) возникает спутное дрейфовое течение, которое повышает уровень воды у берега 4 и понижает его в других частях водоема 1. Это приводит к увеличению перепада геометрических напоров на концах каналов 7, усиливает в них поток, примерно пропорционально. Вода из зоны затопления интенсивно поступает в зону пониженного гравитационного уровня с водоема 1, тем самым, уменьшая объем воды в зоне 4 и интенсифицируя водообмен во всем водоеме, улучшая его экологию. При прохождении "длинных волн", сравнимых по длине с каналами 7, также будет улучшаться водообмен между удаленными зонами 4 и 8 водоема 1.

Более конкретные разработки устройства, реализующих предложенный способ, возможен при выявлении конкретных параметров водоема 1. Так, если недопустим переток по каналам 7 в обратном направлении, т.е. в зону 4 (противоположную направлению стрелок), то, например, выходные отверстия в каналах 7 следует оборудовать автоматическими заслонками (на фиг. не показаны), исключающими обратный переток по каналам 7.

Использование: в гидротехническом строительстве, в частности, в способе интенсификации процесса поддержания гравитационного уровня водоема. Сущность: для защиты от наводнений и улучшения водообмена в заливах и озерах, способ предусматривает выполнение каналов в продольном сечении водоема. Каналы выполняют в виде труб с непроницаемыми стенками и размещают между зеркалом водоема и дном с входными отверстиями в зоне потенциального затопления дрейфовым течением, а с выходными в зоне пониженного или практически постоянного гравитационного уровня водоема. Кроме того входные отверстия каналов располагают навстречу динамическому напору устьевого потока реки. 3 ил.

СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ПОДДЕРЖАНИЯ ГРАВИТАЦИОННОГО УРОВНЯ ВОДОЕМА, включающий установление предварительной связи между розой ветров и параметрами дрейфового ветрового течения в период между ледоставами и выполнение каналов в продольном сечении водоема, отличающийся тем, что каналы выполняют в виде труб с непроницаемыми стенками и располагают между зеркалом водоема и дном в поперечном сечении, входными отверстиями в зоне потенциального затопления дрейфовым течением, а выходными в зоне поперечного сечения водоема, соответствующей зоне пониженного или практически постоянного гравитационного уровня водоема, при этом входные отверстия канала или каналов, размещенных в средней части продольного сечения водоема, располагают навстречу динамическому напору устьевого потока водоема.