Введение к работе
Актуальность проблемы. Значение воды в жизнеобеспечении и ее необычайно широкое использование в хозяйственной деятельности как сырья, растворителя, теплоносителя, транспортирующей среды сопровождается увеличением объемов отбора водных ресурсов и массы сбрасываемых загрязняющих веществ антропогенного происхождения, что определяет охрану и рациональное использование водных ресурсов как важнейшую инженерно-экологическую проблему, связанную с пересмотром технологий воспроизводства и водопользования, исходя из экологических требований.
Экосистемный подход к водным объектам должен предусматривать комплекс первоочередных мероприятий, направленных на воспроизводство требуемых технологических и экологических расходов, поддержания сбалансированности антропогенной нагрузки на водоочистки.
Поддержание сбалансированности антропогенной нагрузки с непрерывно протекающими гидрологическими, гидрохимическими и гидробиологическими процессами жизнедеятельности на водных объектах выдвигает ряд важнейших водно-экологических проблем, требующих комплексных исследований по разработке водоохранных технологических схем с использованием экологически приемлемых конструктивных решений. -
Современный период развития водного хозяйства характеризуется использованием различных типов конструкций гидротехнических сооружений, выполняемых из традиционных материалов (камень, бетон, металл, дерево и т.п.). Такие конструкции требуют значительных ресурсных затрат при строительстве и эксплуатации, не обладают мобильностью, имеют низкую функциональную эффективность в процессах регулирования качества воды на водных объектах .
+
Отечественный и зарубежный опыт создания новых и совершенствования существующих гидротехнических конструкций и сооружений, с тенденцией уменьшения удельных ресурсных затрат на их строительство и эксплуатацию показывает, что наиболее перспективным является направление, связанное с использованием синтетических тканей в качестве основного конструкционного материала.
Накопленный опыт применения мягких конструкций (МК) в области водного хозяйства в различных регионах РФ позволил установить следующее:
конструктивно-функциональные особенности МК позволяют создавать наиболее совершенные водоохранные технологические схемы для водных объектов;
отсутствие работ, научно обосновывающих конструкторские, теоретические, экспериментальные исследования МК по регулированию качества воды на водных объектах.
В процессе углубления представлений о технологии регулирования качества воды на водных объектах с использованием МК возник класс задач по созданию новых и совершенствованию базовых конструктивных решений, связанных с повышением функциональной надежности работы сооружений в водоохранных технологических схемах. В связи с этим возникла необходимость проведения комплексных исследований, направленных на:
разработку теоретике-методических основ синтеза по созданию новых и совершенствованию базовых МК;
обоснование пути автоматизированного проектирования МК в составе водоохранных технологических схем;
разработку теоретических основ расчета, имитационных математических моделей моделирования на ЭВМ при воздействии статических и динамических разгрузок;
- обоснование параметров и режимов работы МК в зависимости от
решаемых водоохранных задач.
Настоящая диссертационная работа была выполнена в соответствии с важнейшими научно-исследовательскими программами:
координационного плана ГКНТ СМ СССР (1976-1980 г.г. - по заданию 08.04 проблемы 0.52.02) 0.52.08.04 "Разработать и внедрить облегченные гидротехнические сооружения из прорезиненных тканей и полимерных материалов";
отраслевого плана Комитета Российской Федерации по водному хозяйству (1990-1995 г.г. - по программе "Вода России" ). Задание П.2 "Методы и технические средства регулирования качества воды водоисточников". Этап Б.34 Н "Разработать водоохранные технологии по комплексному использованию водных ресурсов на базе мягких гидротехнических сооружений".
В ходе проведения исследований выявилась необходимость в разработке водоохранных технологических схем по регулированию качества воды на водных объектах, в обобщении результатов разносторонних, экспериментальных и натурных исследований, с целью разработки практических рекомендаций по применению МК при регулировании качества воды на водных объектах.
Целью работы является разработка научно-методических основ создания и применения МК в водоохранных технологических схемах по регулированию, управлению, восстановлению качества воды и защиты от катастрофических загрязнений водных объектов при чрезвычайных ситуациях.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- разработка теоретико-методических основ синтеза новых и со
вершенствованию базовых МК;
обоснование пути автоматизированного проектирования МК в составе водоохранных технологических схем;
разработку теоретических основ расчета, имитационных математических моделей моделирования на ЭВМ при воздействии статических и динамических нагрузок;
экспериментальное обоснование параметров и режимов работы МК в зависимости от решаемых водоохранных задач с разработкой практических рекомендаций по применению МК в водоохранных технологических схемах.
Предметом исследования являются создание экологически приемлемых новых и совершенствование существующих конструктивных решений, разработка теоретических основ расчета с обоснованием параметров и режимов работы МК в технологических схемах регулирования качества воды на водных объектах.
Объектом исследования являются водные объекты и гидротехнические сооружения технологических схем регулирования качества воды.
Методы исследований. Работа была выполнена путем проведения комплексных конструкторских, теоретических, лабораторных и натурных исследований в течении 1972 -1996 г.г.
Задачи по разработке теоретических основ конструирования решались путем синтеза новых и существующих конструктивных решений с использованием разработанных и имеющихся эвристических приемов.
Теоретическая часть задач решалась аналитическими и численными методами, а также математическим моделированием процессов работы МК при статических и динамических нагрузках на ПЭВМ типа IBM или совместимых с ней.
При проведении численных экспериментов на имитационных математических моделях использовалась теория планирования эксперимен-
гов. Проверка математических моделей производилась при помощи многочисленные лабораторных и натурных -экспериментов.
Экспериментальные исследования МК производились в лабораторных условиях на плоских и пространственных гидравлических установках с моделями различных масштабов. Исследования проводились на метрологически аттестованных установках и машинах. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась с помощью методов математической статистики на ПЭВМ по разработанным прикладным программам.
Научная новизна работы:
- разработана методология и получено 25 новых эвристических
приемов по созданию новых и совершенствованию базовых МК для во
доохранных технологических схем:
- разработан новый тип МК - мягкие наплавные конструкции;
разработаны научные основы расчета одноооснонапряженных мягких оболочек, находящихся в потоке воды;
впервые разработана методика расчета мягких струераспредели-тельных сооружений;
впервые разработана методика оптимизации параметров МК водоохранных сооружений на заданный год эксплуатации;
впервые разработана имитационная математическая модель взаимодействия МНК с волновым потоком, позволяющая вводить различные типы тканевых материалов, их физико-механические характеристики, различные геометрические параметры подвижных экранов и фиксирующих связен;
впервые разработана методика прогноза теплового режима на водном объекте при использовании МНК:
впервые обосновано 10 базовых МК водоохранных сооружений, обладающих конструктивной способностью быть прототипом в эволюционном процессе их совершенствования;
впервые обоснованы геометрические, гидравлические и физико-механические параметры базовых МК водоохранных технологических схем.
Конструктивную новизну результатов исследований диссертационной работы подтверждают 33 патента и авторских свидетельства на изобретения.
Автором защищаются следующие научные положения:
-
Теоретико-методические основы синтеза экологически приемлемых новых и совершенствования базовых МК, используемых в водоохранных технологических схемах.
-
Методы научного обоснования геометрических, гидравлических, физико-механических параметров МК в условиях статических, динамических нагрузок при различных режимах работы в водоохранных технологических схемах.
-
Принципы эклогической приемлемости МК в водоохранных технологических схемах регулирования качества воды на водных объектах.
Практическая значимость. Для использования результатов работы в области водного хозяйства автором разработаны научно обоснованные указания, рекомендации, методики, прикладные программы для ЭВМ. Пять наименований нормативно-методических документов, утвержденных научно-техническими советами проектных институтов, облводхозов, учеными советами головных научно-исследовательских институтов.
В целях широкого использования результатов исследований в практике проектирования были разработаны номограммы, графики, регрессионные зависимости по определению основных параметров МК водоохранных сооружений. На заводе-изготовителе (Уфимский завод РТИ)
разработана техническая документация, позволяющая выполнять серийное изготовление МК для водоохранных технологических схем.
Ценность для науки и, практики полученных результатов диссертационной работы подтверждается широким их использованием в водном хозяйстве.
Личный вклад. Постановка цели, задач и вопросов исследований, выбор путей их теоретического, конструктивного и экспериментального решения, анализ результатов исследовании, итоговые выводы и предложения в диссертационной работе выполнены лично автором.
В проведен!»! экспериментальных и натурных исследований МК водоподпорных и наплавных сооружений принимали участие сотрудники ЮжНИИГиМа, НИМИ. Башкирского СХИ и Башкирского филиала РосНИИВХ под руководством автора.
В реализации теоретических и конструкторских разработок принимали участие сотрудники Уфимского завода РТИ им.М.В.Фрунзе Ю.Г.Анцигин. Г.Л.Червяков. A.M.Охотников.
При постановке ряда задач, рассмотренных в настоящей диссертационной работе, автор получил ценные советы заслуженного деятеля науки и техники РФ, член-корреспондента АЕН, д.т.н., проф. А.М.Черняева; д.т.н., проф. А.Н.Попова; доктора географических наук, проф. И.С.Шахова; заслуженного деятеля науки и техники РФ, д.т.н., проф. Н.П.Розанова; заслуженного строителя РФ, к.т.н., проф. А.Л.Можевитинова.
Реализация результатов работы. В период с 1974 по 1996 г.г. результаты внедрения исследований автора диссертации подробно отображены в актах, составленных в соответствии с установленной формой и помешенных в приложении к диссертационной работе. Экономический эффект от внедрения с 1974 по 1996 г.г. в SO проектах (разработчики Тат-гипроводхоз. Башгипроводхоз. Ростовское отделение ТЭП, ЮжУкрги-
проводхоз, Оренбургский филиал Росгипроводхоз, Мособлгидропроект и др.) МК водоподпорных плотин и наплавных водозаборных, струерас-пределительных и струенаправляющих сооружений, методик расчета, рекомендаций по их строительству и эксплуатации достиг более 50 млрд.руб, из которых доля, приходящаяся на научно-исследовательскую организацию, составляет свыше 50 %. Начиная с 1970 года на Уфимском заводе РТИ автором диссертационной работы внедрены все новые конструктивные разработки МК водоподпорных плотин для технологических схем мелиорации малых рек, МК наплавных сооружений для водоохранных технологических схем: систем технического водоснабжения Ставропольской ГРЭС, Конаковской ГРЭС, Смоленской АЭС, Явкинской оросительной системы Николаевской области Украины, Черноярковской рисовой оросительной системы Краснодарского края и др.
Разработанные автором методики расчета МК водоохранных плотин, наплавных водозаборных, струераспределительных, струенаправляющих сооружений, по локализации аварийных сбросов нефтепродуктов в водный объект, использованы при разработке технической документации на их изготовление, проектировании и составлении нормативно-методической документации по их использованию в водном хозяйстве.
За разработку и внедрение МК в водное хозяйство автор награжден двумя серебряными медалями ВДНХ СССР и дипломом лауреата ВДНХ СССР.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были неоднократно обсуждены и одобрены: на ежегодных региональных научно-технических конференциях по мягким оболочкам, проведенных по инициативе Северо-Кавказского научного центра высшей школы и ЮжНИИГиМа (Новочеркасск, 1976; Краснодар 1990); на Всесоюзной
конференции "Применение оболочечных конструкций ГТС в водохозяйственном строительстве " (Краснодар, 1980); на Всесоюзной конференции "Проблемы экологии и мягкие оболочки" (Севастополь, 1990); на Всесоюзной конференции по мягким оболочкам в горном деле (Днепропетровск, І990); на ежегодных общероссийских научно-практических конференциях по водохозяйственным проблемам (г.Екатеринбург, 1990-1996); ученых советах НИМИ, ЮжНИИГиМа, РосНИИВХ, ИППЭиП, НТС Минводхоза РСФСР, Минводхозов Татарской АССР, Башкирской АССР, Министерства Чрезвычайных ситуаций и экологической безопасности РБ, Вельского БВУ, ГП"Башводомелиора-ция" и др.
Публикации. Основные научные и практические достижения, выполненные в рамках рассматриваемой работы, опубликованы в 65 научных работах. Автором получено 33 патента и авторских свидетельств на изобретения.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена в шести главах на 291 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц, 81 рисунок, 2 приложения. Список использованных источников включает 310 наименований. Общий объем работы 239 страниц.