Введение к работе
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:
-
Исследование причины деградации речных русел, загрязняемых в результате хозяйственного использования рек и влияния урбанизации.
-
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.
-
Исследование распределения мелкодисперсных взвесей в толще потока с использованием уточненных физических моделей, учитывающих новые данные по структуре турбулентности и кинематике течения.
-
Определение на основе лабораторных исследований физико-механических свойств мелкодисперсных русловых грунтов.
-
Обработка и обобщение имеющихся натурных данных по выявлению гидравлических и иных факторов, влияющих на эффективность гидравлической промывки загрязняемых русел.
-
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:
-
Расчетно-аналитическое обоснование степени влияния сил сцепления между частицами мелкодисперсного грунта на их осаждение и хлопьеобразование.
-
Разработка физической модели и критериев существования и разрушения придонного мутьевого слоя, проверенных данными лабораторных измерений.
-
Уточнение диффузионной модели и расчетной зависимости распределения мелкой взвеси в речном потоке.
-
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.
