Россия
сотрудник
УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
ТБК 6 ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. МАТЕМАТИКА
BISAC TEC003000 Agriculture / General
Приведены сведения, обосновывающие целесообразность и условия создания Багаевского гидроузла на реке Дон. Дано обоснование и описание принятого компоновочного решения гидроузла и конструктивного исполнения сооружений, обеспечивающих его функционирование. По результатам технического обоснования проекта разработано рациональное решение Багаевского гидроузла, обеспечивающего свое предназначение и разноотраслевое использование водно-ресурсного потенциала реки Дон
речной гидроузел, комплексное водопользование, водохозяйственное обоснование гидроузла, сооружения гидроузла
Введение. Современная парадигма природопользования предусматривает повышение эффективности, рациональности и комплексности использования водных ресурсов при обеспечении требований охраны окружающей среды. В настоящее время, при всё возрастающих объемах отраслевого водопользования, проявляется дефицит водных ресурсов, характерный для рек южного склона территории Российской Федерации. Так, на Нижнем Дону в последние десятилетия обострилась проблема обеспечения водными ресурсами водопотребляющих отраслей хозяйствования (орошения, рыбоводства, водного транспорта, коммунального и промышленного водоснабжения, водных рекреаций и др.). Сложившееся и деградирующее состояние водной экосистемы Нижнего Дона определили необходимость принятия соответствующих мер. Их состав и реализация предусматриваются Распоряжением Правительства Российской Федерации № 2012-р от 21 июля 2021 года «Об утверждении плана мероприятий («дорожной карты») по оздоровлению и развитию водохозяйственного комплекса реки Дон» [1]. Одним из мероприятий, предусмотренных «Распоряжением» является строительство низконапорного Багаевского гидроузла на р. Дон. Создание указанного гидроузла обеспечит более высокий уровень регулирования водного стока реки и её шлюзование.
Отметим, что проблема шлюзования (устройства каскада гидроузлов на р. Дон), осуществляемого преимущественно в целях улучшения (обеспечения) условий судоходства имеет давнюю (более чем столетнюю) историю. Первые технически обоснованные (проектные) предложения по устройству каскада гидроузлов на р. Дон были сделаны Н. П. Пузыревским в 1911 г. [2]. В процессе реализации, предложенной им (и в последующем уточнявшейся), схемы на Нижнем Дону был построен каскад из четырех гидроузлов (включающий Цимлянский, Николаевский, Константиновский и Кочетовский), схема расположения которых проиллюстрирована ниже на рисунке 1.
Рисунок 1 – План-схема расположения гидроузлов на р. Дон
Дальнейшее шлюзование реки предлагается осуществлять, реализуемым в настоящее время, строительством Багаевского гидроузла по проекту АО «Акватик» [2, 3]. Вопросы целесообразности устройства гидроузла неоднозначно рассматриваются и оцениваются специалистами [3–5], что предопределяло необходимость особо тщательного и разностороннего подхода к разработке его компоновочно-конструктивного решения. В разработке обоснований компоновки гидроузла и технических решений, входящих в его состав рыбохозяйственных сооружений, принимали непосредственное участие авторы настоящей статьи, что и предопределило основную направленность ее содержания, заключающуюся в обосновании создания и разработке компоновочно-конструктивного решения Багаевского гидроузла на реке Дон.
Материалы и методы. Эмпирическую базу для обоснования целесообразности создания и компоновочного решения низконапорного Багаевского гидроузла и конструктивного исполнения входящих в его состав сооружений составили данные по гидрологическим, водохозяйственным, рыбоведческим, топографическим и др. условиям его устройства и функционирования.
Результаты и обсуждение. Основное функциональное предназначение строящегося гидроузла – обеспечение необходимых судоходных глубин на участке водно-транспортного пути между Багаевским и Кочетовским гидроузлами в условиях острого дефицита водных ресурсов. Учитывая особую рыбохозяйственную значимость реки Дон, на гидроузле должны быть созданы условия для беспрепятственного прохода рыб вверх по реке в процессе их анадромно-нерестовых миграций и условия для нереста подготовленных к репродукционному процессу производителей рыб [6]. При этом, необходимо минимизировать площади затопления и подтопления поймы реки Дон [7–9].
Створ гидроузла выбран на участке реки между хутором Арпачин и станицей Манычской, характеризуемый наличием острова Белый, что позволяло реализовать «островную» схему его последующего строительства.
В процессе анализа гидрологических, водохозяйственных и топографических условий функционирования гидроузла и рассмотрения ряда вариантов, за расчетную отметку уровня воды в верхнем бьефе принята отметка равная – 2,0 мБС. Создаваемый подпор уровней воды, характеризуемый указанной отметкой, обеспечивал необходимые условия для судоходства и соответствовал минимуму затопления и подтопления территории [3, 5].
Создание гидроузла позволяет получить экономию объемов воды, сбрасываемой из Цимлянского водохранилища в течение навигационного периода (Тнав = 244 суток), для обеспечения судоходства. Необходимые глубины в русле реки Дон, при его функционировании, будут обеспечиваться при расходах, составляющих – 250 м3/с, а не при – 430 куб. м судоходных попусков, необходимых в настоящее время. Объем экономии водного ресурса на обеспечение интересов водного транспорта составит – 3,79 км3, который может быть использован для других целей, например, для орошения земель и (или) реализации рыбохозяйственных попусков. При соответствующем новым условиям изменении режима функционирования ГЭС и водосброса Цимлянского гидроузла в период нерестового хода (апрель-май) предлагается осуществлять нерестовый попуск расходом – 1000 м3/с, при последующем (во вненерестовый период) его снижении до – 230 м3/с. При расходе воды – 1000 м3/с все гидроузлы могут функционировать в безнапорном («бесподпорном») режиме, то есть при свободном протекании водного потока в пределах русла р. Дон. Это позволит создать условия для свободного прохода по реке рыб и их нереста на русловых нерестилищах. Экономия воды на обеспечение потребностей судоходства позволяет в средне- и высоководные годы осуществлять периодические (один раз в два-три года) нерестовые попуски с затоплением пойменных нерестилищ («донских займищ»). Возможность получения «судоходной» экономии объемов воды позволяет повысить обеспеченность водными ресурсами ряд Нижне-Донских оросительных систем.
Одним из определяющих компоновочно-конструктивное решение речного гидроузла требований, является требование обеспечения интересов рыбного хозяйства – охраны ихтиофауны и создания условий для естественного воспроизводства водных биоресурсов. Указанная задача предусматривает создание условий для свободного (беспрепятственного) прохода проходных и полупроходных видов рыб к местам нереста и возможностей для нереста подготовленных к репродукционному процессу их производителей.
В процессе рассмотрения ряда компоновочных решений гидроузла, объединяющего несколько сооружений разно-функционального предназначения, выбран вариант их компоновки, проиллюстрированный на рисунке 2.
Рисунок 2 – Компоновочная схема Багаевского гидроузла на р. Дон
В соответствии с рисунком 2, в состав гидроузла включены: шестипролётная паводковая плотина (с шириной пролёта – bпр = 20,0 м); шестипролётный водосброс-регулятор; двухниточный судоходный шлюз; рыбопропускной шлюз; рыбоходный канал с системой нерестовых прудков; регулятор, обеспечивающий экологическую проточность на участке старого русла.
С учетом того факта, что р. Дон определяется водным объектом высшей категории рыбохозяйственного значения, при разработке технического обоснования компоновочно-конструктивного решения гидроузла особое внимание было уделено разработке рыбоводных («рыбохозяйственных») и других, оказывающих влияние на условия обитания рыб, сооружений.
Так, при разработке водосбросных сооружений учтено требование о необходимости создания условий для свободного прохода рыб через водоподпорный створ гидроузла при его функционировании в безнапорном режиме. Для обеспечения этих условий предусмотрено устройство широкого водосбросного («водопропускного») фронта, превышающего размеры русла реки при пропуске расходов, превышающих – 600 м3/с. При таком решении перепад уровней воды между бьефами гидроузла не превышает – 0,06 м, что исключает создание скоростного (для рыб) барьера в створе сооружений гидроузла при его функционировании в безнапорном режиме. Свободному проходу рыб способствует конструктивное решение водосливного порога, выполненного в виде горизонтальной железобетонной плиты, отметка поверхности которой принята на уровне отметки дна р. Дон в бытовых условиях. При таком техническом решении исключается необходимость для придонно-перемещающихся рыб (в частности, для осетровых) изменения горизонта плавания при проходе через створное пространство плотин гидроузла.
Для пропуска рыб, перемещающихся в срединно-русловой части р. Дон предусмотрено устройство рыбопропускного шлюза, расположенного между паводковой плотиной и водосбросом-регулятором (см. рисунок 2). Конструкция шлюза (рисунок 3), в отличие от известных, предусматривает обеспечение непрерывного режима привлечения и накопления рыб, что обеспечивается устройством дополнительного блока питания. При совместной работе основного и дополнительного блоков питания в зоне распространения исходящего из шлюза водного потока, формируются стабильные гидравлические условия привлечения рыб и возможности их накопления в рыбонакопителе в процессе шлюзования (перевода в верхний бьеф реки). Принятое техническое решение позволяет осуществлять до 16 – 24 циклов шлюзования рыб в сутки, что в 2–3 раза превышает количество таковых на действующих аналогах, что, в свою очередь, повышает рыбопропускную способность сооружения.
1 – участок выхода рыб; 2 – затвор верховой; 3 – площадка осмотра рыб;
4 – камера шлюзования; 5 – затвор низовой; 6, 7, 8 – отверстия блока питания; 9 – галереи блока питания; 10 – побуждающее устройство
Рисунок 3 – Конструктивная схема рыбопропускного шлюза
Багаевского гидроузла на р. Дон
На гидроузле предусмотрено устройство рыбоходно-нерестового канала, предназначенного для пропуска рыб, мигрирующих вдоль правобережной части русла реки. Рыбоходно-нерестовый канал рассчитан на пропуск расхода в (100–110) м3/с, что составляет – 40 % от общего расхода реки в меженный период. Средняя скорость течения водного потока по тракту канала составляет – 0,895 м/с, что соответствует скоростям плавания практически для всех мигрирующих в створе гидроузла проходных, полупроходных и туводных видов рыб. Поперечное сечение канала принято трапецеидальны и характеризуется: глубиной – hк = 2,5 м, шириной по дну – bк = 36,0 м, заложением откосов mк = 1:3,5 и протяженностью – Lк = 5350 м. Дно и откосы канала покрываются слоем галечно-гравийной смеси, обеспечивающей закрепление его русла от деформаций и являющейся нерестовым субстратом для литофильных видов рыб (белуги, осетра, севрюги, стерляди, рыбца, шемаи).
Канал имеет меандрическую форму (рисунок 4), что не только обеспечивает его компактность, но и позволяет формировать разноскоростную структуру течений в плане и по глубине. При таком решении скорость потока в тракте составляет 
= 0,895 ± 0,15 м/с, что позволяет рыбам с разной плавательной способностью выбирать наиболее приемлемые для них зоны (трассы) перемещения или нереста. Учитывая значительную протяженность тракта канала, по его длине предусмотрено устройство зон отдыха для рыб с меньшими скоростями течения и большими объемами жизненного (акваториального) пространства. Нерестовая площадь тракта для литофилов составляет – 24,9 га, а для реофилов – 28,6 га. В межмеандровом пространстве площадью – 32,4 га предусмотрено устройство нерестово-подростных прудков для нереста фитофильных видов рыб (леща, судака, сазана и др.). Прудки обустраиваются соответствующими условиями для нереста фитофилов, развития репродукционного продукта, подращивания молоди и обустроены сооружениями для регулирования водного режима, впуска и выпуска рыб.
Рисунок 4 – Схема рыбоходно-нерестового канала
Багаевского гидроузла на р. Дон
Техническое решение гидроузла предусматривает широкий спектр возможностей для управления сбросом расходов воды через пролёты паводковой плотины, водосброса-регулятора и проточного водовыпуска (регулятора) в целях оптимизации условий работы рыбопропускного шлюза и рыбоходно-нерестового канала. Это позволяет прогнозировать высокие значения показателя качества условий для привлечения и пропуска рыб из нижнего бьефа гидроузла в верхний, что подтверждается нижеприведенным расчетом.
Расчет показателя качества условий для пропуска рыб через створ гидроузла (Пк/у, %) при его работе в подпорном режиме выполнен по зависимости (учитывающей гидрометрические параметры рыбопропускных сооружений и потока в нижнем бьефе гидроузла), имеющей нижеследующий вид (1):
где Пк/у – показатель качества гидрометрических условий в нижнем бьефе гидроузла для привлечения рыб в рыбопропускное сооружение, %;
Qс – расход потока, истекающего в реку из рыбопропускного сооружения (рыбопропускного шлюза и (или) рыбоходно-нерестового канала), м3/с;
Qр – расход водного потока реки, протекающего по нижнему бьефу гидроузла в створе входа рыб в рыбопропускное сооружение, м3/с;
– среднее значение скорости привлекающего рыб водного потока на входном створе в оголовок рыбопропускного сооружения, м/с;
– средняя по живому сечению скорость речного потока в створе,
соответствующем входу рыб в рыбопропускное сооружение, м/с;
– крейсерская скорость плавания мигрирующих рыб в реке, м/с;
Bс – ширина входного оголовка рыбопропускного сооружения, м;
Bр – ширина речного потока в створе входа мигрирующих по реке на нерест рыб в оголовок рыбопропускного сооружения, м;
Lуд – удаленность створа входного сечения рыбопропускного сооружения от верхней границы зоны поиска рыбами прохода через препятствие, м;
Lз/п – протяженность зоны поиска мигрирующими на нерест рыбами прохода через препятствие (от верхней границы зоны до нижней), м;
Исходные данные и результаты расчета значений показателей качества условий для пропуска рыб через створ гидроузла приведены в таблице 1.
Таблица 2 – Исходные данные и результаты расчетов показателей
качества условий работы рыбопропускных сооружений
|
Рыбопропускное сооружение |
Qр, |
Qс, |
м/с |
|
vкр, м/с |
Bс, |
Bр, |
Lуд, м |
Lз/п, м |
Пк/у, |
|
Рыбопропускной шлюз |
250 |
45,0 |
0,895 |
0,52 |
0,85 |
10,0 |
160,0 |
80,0 |
100,0 |
27,0 |
|
400 |
55,0 |
0,40 |
22,9 |
|||||||
|
Рыбоходно-нерестовый |
250 |
100,0 |
0,52 |
22,5 |
65,6 |
|||||
|
400 |
100,0 |
0,40 |
37,6 |
В соответствии с выполненным по зависимости (1) расчетом, прогнозируемые значения качества условий для привлечения рыб в рыбопропускные сооружения (Пк/у, %) составят: для расхода гидроузла Qр = 250 м3/с – Пк/у = 27,0 + 65,6 = 92,6 %, а для Qр = 400 м3/с – Пк/у = 22,9 + 37,6 = 60,5 %.
Судя по полученным значениям показателя качества условий, для наиболее реальных расходов гидроузла прогнозируется пропуск через створ гидроузла от 60,5 % до 92,6 % от подходящего к нему количества рыб.
Заключение. В современных условиях аридного климата Юга Российской Федерации, актуальной проблемой является все возрастающий дефицит водных ресурсов, используемых в целях удовлетворения потребностей сельского, рыбного, коммунального хозяйства, водного транспорта, рекреаций и энергетики. При сложившемся остром недостатке в обеспечении водными ресурсами различных отраслей экономики, все большее распространение получает строительство гидроузлов на средних и крупных реках. Одним из таких проектов, реализуемых в настоящее время, является строительство и последующая эксплуатация низконапорного Багаевского гидроузла на р. Дон. Устройство указанного сооружения предусмотрено с целью повышения и регулирования водности реки Дон, на участке ниже Кочетовского гидроузла, а также удовлетворения потребностей водного транспорта, орошения, рыбоводства и других направлений использования водно-ресурсного потенциала Нижнего Дона. При создании речных гидроузлов предусматривается обеспечение природоохранных мероприятий различного уровня важности, среди которых особое значение придается созданию условий для беспрепятственного (свободного) прохода проходных, полупроходных и туводных видов рыб через створ гидроузла и (или) их нереста в пригидроузловом рыбоводном комплексе. Применительно к Багаевскому гидроузлу на р. Дон эта задача решена посредством устройства в его составе рыбопропускного шлюза и рыбоходно-нерестового канала с системой разных по размеру нерестово-выростных прудков и возможностью обеспечения прохода рыб через водосбросной фронт гидроузла (функционирующего в безнапорном режиме) со скоростями течения водного потока, оптимальными для большинства мигрирующих на нерест по руслу реки представителей рыбной ихтиофауны.
1. Об утверждении плана мероприятий («дорожной карты») по оздо-ровлению и развитию водохозяйственного комплекса реки Дон [Электрон-ный ресурс]: Распоряжение Правительства РФ от 21 июля 2021 г. № 2012-р. Доступ из справ. правовой системы «Консультант Плюс».
2. Лендов В. Г. Сооружение №1 на Дону. Новая жизнь Кочетовского гидроузла / Под ред. Н. Г. Смирнова. М.: Вестник транспорта, 2009. 215 с.
3. Шурухин Л. А., Пантина Т. А. Проект строительства Багаевского гидроузла, как элемента единой глубоководной системы внутренних водных путей Европейской части России // Транспорт Российской Федерации. 2017. № 5(72). С.69-72.
4. Кривошей В. А. О проекте Багаевского гидроузла // Астрахан. вестн. экол. образования. 2016. № 2(36). С.76-80.
5. Дубинина В. Г., Жукова С. В. Оценка возможных последствий строительства Багаевского гидроузла для экосистемы Нижнего Дона // Рыбное хозяйство. 2016. № 4. С. 20-30.
6. Гайдаев С. К. Рыбоводные сооружения низконапорного Багаевского гидроузла на реке Дон // Гидротехника. 2019. № 2 (55). С 22-25.
7. Гидравлическое обоснование проекта Багаевского гидроузла с применением численного гидродинамического моделирования / Беликов В. В., Борисова Н. М., Алексюк А. И., Румянцев А. Б., Глотко А. В., Шурухин Л. А. // Гидротехническое строительство. 2018. № 5. С. 19-35.
8. Масленников Л. Е. О состоянии строительства Багаевского гидроузла на реке Дон // Гидротехника. 2021. № 3 (64). С. 5-7.
9. Шурухин Л. А., Левачев С. Н., Немолочнов А. Г. Багаевский гидроузел - последняя ступень каскада транспортных гидроузлов на Нижнем Дону // Гидротехника. 2017. № 3. С. 6-9.
