В последние годы все острее становится проблема защиты рыб от попадания в водозаборы АЭС, ТЭС, ГЭС, в ирригационные и водоводные каналы. Актуальность проблемы возрастает по мере расширения энергетического и водохозяйственного строительства, решения задач перераспределения стока, возведения крупных комплексных гидроузлов. Из-за отсутствия надежных и универсальных способов и устройств для предотвращения попадания молоди в водозаборы и каналы в ряде случаев задерживается строительство гидротехнических и энергетических объектов.
Основным объектом защиты на водозаборах являются скатывающиеся в потоке личинки и молодь рыб. Покатные миграции являются одним из звеньев жизненного цикла многих видов рыб и проявляются в форме ската личинок и молоди рыб по течению от мест размножения к местам нагула. В этом состоянии рыбы в массовом количестве попадают в водозабор и необходима их защита.
При скоростях потока, ниже сносящих1, молодь различных рыб еще может проявлять различные поведенческие реакции в водоеме и в зоне защиты (уход от защитного полотна, реореакция и пр.). При скоростях потока, в 1,2—1,5 раза превышающих сносящие, энергия потока оказывается существенно больше энергии движения рыб и распределение рыб определяется главным образом гидравлической структурой потока.
1 Сносящая — минимальная скорость потока, которую рыба не может преодолеть и поэтому сносится, vон≈ 10/, где l — длина тела рыб.
Рис. 15.3. Рыбозащитные сооружения.
Iа — рыбозаградительные экраны, плоские сетки с рыбоотводом; Iб — то же конусные сетки с рыбоотводом; Iв — то же ленточные вращающиеся сетки с рыбоотводом; II — рыбозаградителя физиологические, электрические; III — рыбоотводящие (инженерно-экологические) сооружения; IVa — рыбоотгораживающие (экологические), зонтичные оголовки водозаборов; IVб — то же вертикальна перемещающиеся зонные ограждения; 1 — оголовок водозаборного канала; 2— водозаборный канал; 3 — криволинейная часть водозаборного канала; 4 — аванкамера; 5 — арьеркамера; 6 — магистральный канал; 7 — водозаборное окно насосной станции; 8 — насосная станция; 9 — рыбозаградительный экран; 10 — оголовок рыбоотводящего тракта; 11 — рыбоотводящий тракт; 12 — промывное устройство; 13 — конусный рыбозаградитель; 14 — опорные бычки; 15 — мост; 16 — привод; 17 — вращающаяся сетка; 18 — электроды рыбозаградителя; 19 — зонтичный оголовок; 20 — вертикальна перемещающееся зонное ограждение.
С целью предупреждения попадания рыб в опасные для них зоны (водозаборы, водосливы) и направления их ко входу в рыбопропускные сооружения применяются рыбозащитные и рыбонаправляющие устройства. Для рыбозащиты потенциально могут быть использованы различные средства: механические — различные сетчатые и экранные заграждения; гидравлические — струенаправляющие устройства; физиологические — системы, образующие электрические и акустические поля, воздушные и химические завесы; оптические — свет, затемнение и т. д. Для отпугивания рыб от опасных участков и для направления их в рыбопропускное сооружение рассматривалась возможность использования межвидовых акустических сигналов, имитирующих испуг, звук источников питания и т. д. Однако большинство указанных способов находятся в стадии поисковых исследований или имеют весьма низкую эффективность.
В настоящее время в наибольшей степени разрабатываются три способа защиты рыб от попадания в водозаборы.
Первый способ защиты предусматривает задержание скатывающихся рыб перед водозабором с помощью различных рыбозаградительных экранов с последующим отводом их от этих экранов в рыбообитаемый водоем (рис. 15.3). Для реализации защиты рыб этим способом устраивают плоские, криволинейные, барабанные, конусные и другие мелкоячеистые сетчатые экраны с системой очистки сеток в виде флейт, водогонов, водоструйных аппаратов и т. д.; фильтрующие рыбозаградители в виде экрана из гравия, пороэласта и других заполнителей; электрические и воздушно-пневматические рыбозаградители.
При разработке проектов рыбозаградительных экранов необходимо обеспечивать отвод задержанной молоди от их поверхности, поскольку даже непродолжительное прижатие личинок и молоди к механическим экранам приводит к их травмированию и гибели. Отвод рыб от рыбозаградителей возможен только при скоростях потока, менее сносящих для защищаемых рыб, что определяет площадь экранов и их сквозность, а также сечение водозаборных каналов. Кроме того, такие рыбозаградители располагают под углом к динамической оси потока с целью использования поперечной составляющей скорости для отвода («сноса») рыб от плоскости экрана в рыбоотвод. Для этого предназначаются флейты, водоструйные аппараты, водогоны и другие устройства, создающие течение, направленное против фильтрующего потока или вдоль рыбозаградительного экрана.
В СССР построено несколько сот рыбозаградителей с механическими экранами, главным образом на водозаборах с расходами воды до 5 м3/с. При использовании таких устройств на водозаборах удается спасти не более 50% молоди рыб, подошедшей к водозабору.
На крупных энергетических и водохозяйственных водозаборах для защиты рыб требуется устраивать механические экраны большой протяженности. На преодоление фильтрующего сквозь экраны потока и «отрыв» от рыбозаградительного полотна необходимы усилия, значительно превышающие возможности молоди и личинок; поэтому происходит прижатие их к рыбозаградителю и гибель. Сравнительно безопасная для рыб протяженность рыбозаградительного полотна до 25 м, что может обеспечить защиту рыб на водозаборах с расходами до 15 м3/с.
В последние годы предприняты попытки улучшить работу механических рыбозаградителей путем усовершенствования конструкции экранов, изменения их компоновки и формы, улучшения способов отвода рыб. Однако при этом существенно усложняются конструкции, возрастают трудности эксплуатации, особенно при очистке мелкоячеистых сеток и перфорированных экранов. Эти недостатки увеличиваются с ростом производительности водозабора.
Еще более низкую эффективность по защите молоди рыб имеют электрические и пневматические рыбозаградители, так как оба эти типа предполагают проявление у молоди определенных поведенческих реакций, ведущих к самостоятельному уходу из опасной зоны. Однако фактически влекомая потоком молодь рыб проносится сквозь эти экраны и не задерживается ими.
Второй способ защиты рыб — рыбоотгораживающий (экологический) — предусматривает использование закономерностей распределения молоди рыб в водоеме и забор воды из зон с минимальной концентрацией молоди или искусственное создание таких зон. Для этого необходимо водозабор располагать на том участке водоема, где не образуется больших скоплений рыб. Если по каким-либо причинам осуществить это невозможно, то забор воды необходимо производить из уровня водоема, в котором в данный момент наблюдается наименьшая концентрация рыб. Для этого необходимо знать распределение рыб на данном участке водоема в течение суток и сезона, поскольку оно зависит от видового и возрастного состава рыб, кормовой базы, гидравлической и гидрологической характеристик потока, температурных условий и других биотических и абиотических факторов. Следовательно, для применения рыбоотгораживающего способа защиты рыб необходимо проведение комплексных исследований на участке расположения водозабора. В некоторых случаях с учетом суточного ритма ската удается обеспечить защиту молоди путем прекращения водозабора в ночное время, а при наличии необходимых аккумулирующих емкостей — на весь период нереста и ската рыб.
Рыбоотгораживающим способом защиты рыб предусматривается также устройство различных ограждений, например поверхностных или глубинных водозаборов, водорыбонепроницаемых стационарных или перемещающихся экранов, запаней, зонтичных оголовков и пр. Одним из вариантов зонного ограждения является применение перемещающихся по глубине воздухо-водонаполняемых конструкций из гибких прорезиненных тканей, перекрывающих значительную часть водозаборного отверстия. Такие устройства могут быть использованы на водоемах с глубиной воды более 6 м, в которых четко установлены закономерности вертикального перемещения молоди во времени.
Третий способ защиты рыб — рыбоотводящий (инженерно-экологический) — предусматривает организацию пропуска скатывающейся молоди по специально устраиваемому обходному рыбоотводящему тракту вокруг произвольно выбранного места забора воды (рис. 15.4). При этом оголовок тракта располагают выше места забора воды на участке повышенной концентрации скатывающейся молоди, например у вогнутого берега водозаборного канала или на излучине водотока, а устье — ниже водозабора за пределами его влияния на гидравлический режим водоема.
Рис. 15.4. Рыбоотводящий (инженерно-экологический) способ защиты рыб на водозаборах.
а — с криволинейным водоподводящим каналом; б — с рыбозащитной приставкой; 1 — насосная станция; 2 — магистральный канал; 3 — водоподводящий канал; 4 — рыбозащитная приставка; 5 — рыбоотводящий тракт; 6 — раздельная стенка.
Реализация защиты рыб сводится в этом случае к соответствующей компоновке водозаборов и рыбоотводящих трактов и к установлению необходимых параметров потока, т. е. переносится в область инженерных решений и не связана с проблемой учета многообразных, переменных, трудно устанавливаемых факторов поведения и ориентации рыб.
Перераспределение скатывающейся молоди под воздействием поперечной составляющей скорости течения наиболее четко наблюдается на поворотах (излучинах) рек и каналов, где при скоростях потока, более сносящих, для защищаемых рыб концентрируется у берега более 80% скатывающейся молоди. При этом удельная концентрация рыбу берега на единицу расхода воды в несколько раз больше средней удельной концентрации, что позволяет отвести молодь от опасной зоны с расходом воды в 4—5 раз меньшим, чем это обычно необходимо для рыбоотводов при применении рыбозаградительных экранов.
Для предотвращения попадания молоди рыб в крупные энергетические и водохозяйственные водозаборы рыбоотводящий способ защиты предусматривает выполнение водоподводящих каналов криволинейными в плане с радиусом, равным 5—7,5 их ширины. Сечение каналов определяется из условия пропуска расхода на водозабор при скоростях не менее 1,5 vсн. Рыбоотводящий тракт может быть выполнен в виде канала, лотка, трубопровода, причем его оголовок следует располагать у выпуклого берега при защите поверхностно скатывающихся рыб (сазана, леща, плотвы и др.) или у вогнутого берега (для осетровых, скатывающихся у дна) в створах, расположенных в секторе от 40 до 70° по длине излучины.
Наиболее универсальные схемы, позволяющие в большинстве случаев проектирования использовать для защиты рыб рыбоотводящий способ, представлены на рис. 15.4. Основные требования к проектированию сооружений и устройств для предотвращения попадания рыб в водозаборы рыбоотводящим способом даны в СНиП П-55-79.
В проектах необходимо также предусматривать устройства для защиты идущих на нерест производителей рыб. Такие устройства обычно устанавливаются в нижних бьефах гидроузлов и не допускают рыб к бычкам плотины, отсасывающим трубам ГЭС и т. д. Поскольку механические заградители в этом случае создают подпор и требуют очи стки от мусора и наносов, их не применяют. Наибольшее распространение получили электрические заградители, которые выполняются в виде системы электродов, подвешенных к несущим конструкциям. Взрослые рыбы, попадая в электрическое поле на некотором расстоянии от системы электродов, испытывают болевые ощущения, которые заставляют их изменять направление движения и выходить из зоны действия электрорыбозаградителей.
Пропуск скатывающихся после нереста производителей рыб и покатной молоди весьма сложен. Однако, как показывает зарубежный и отечественный опыт, через средненапорные гидроузлы, оборудованные крупногабаритными турбинами с низкой частотой вращения, молодь проходит относительно беспрепятственно. По зарубежным данным процент выживания молоди в этом случае достаточно высок и составляет около 95%. Проведенные на Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС исследования по скату рыб показали, что при определенных режимах сброса травмирования рыб, скатившихся через водосливную плотину, не наблюдается. Скат молоди через турбины и водослив проходит весьма интенсивно.
