Предложен новый подход к управлению качеством воды в стратифицированных водохранилищах

Коллектив исследователей Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН разработал гидродинамическую модель, позволяющую повысить эффективность управления качеством воды в водохранилищах с выраженной вертикальной плотностной стратификацией. Результаты работы открывают путь к созданию принципиально новых инженерных решений для устойчивого технического водоснабжения промышленных предприятий.

Во время эксплуатации водохранилища в нем может реализоваться устойчивая стратификация — равномерное распределение плотности по глубине. Тогда более плотная жидкость, например, насыщенная солями, находится в придонной области, а менее плотная протекает по поверхности. Такое распределение устойчиво и необходимо прикладывать усилия, чтобы вымыть такую тяжелую жидкость с придонной области.

Гидротехническое регулирование традиционно опирается на оперативное управление уровнями и расходами воды. Базовым, но далеко не совершенным методом остается усиленная промывка водоема, совпадающая с пиком весеннего половодья. Классический подход предполагает заблаговременное понижение уровня воды в водохранилище до минимально допустимой отметки с последующим пропуском паводковых вод через водосливной фронт. Теоретически такой механизм должен обеспечивать вынос загрязненных вод из придонных горизонтов.

На практике результативность этой методики снижается из-за конструктивных особенностей водосбросного тракта. Гидрологи Горного института УрО РАН (филиал Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН) исследовали Верхне-Зырянский гидроузел, расположенный в Пермском крае. Гидротехническое сооружение оснащено шахтным водосливом, порог которого расположен на отметке, близкой к нормальному подпорному уровню. В условиях устойчивой плотностной стратификации наиболее насыщенные солями слои локализуются в придонной области. При существующей конструкции водосброса обновляются лишь водные массы поверхностного и промежуточного горизонтов — наиболее пресные воды нормативного качества сбрасываются в нижний бьеф, тогда как глубинные высокоминерализованные воды остаются запертыми в понижениях рельефа дна и продолжают накапливаться.

Принципиально иным подходом, устраняющим указанные конструктивные недостатки, служит селективное водоотведение. Наиболее перспективной и технологически обоснованной реализацией этой концепции является создание специализированного паводкового водосброса сифонного типа, который позволяет отводить высокоминерализованные воды из самых глубоких зон водохранилища.

Гидродинамики Института механики сплошных сред УрО РАН (филиал Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН) построили численную модель и провели серию вычислительных экспериментов, которые позволили детализировать гидротехнические узлы в условиях значительной стратификации водных масс. Построенная математическая модель учитывает особенности формирования вертикальной неоднородности плотности, связанные с разгрузкой высокоминерализованных рассолов, обусловленных как естественными факторами, так и техногенными факторами.

Рассказывает заведующая лабораторией вычислительной гидродинамики ИМСС УрО РАН профессор Татьяна Петровна Любимова:

Наше исследование охватывает три существенно различных водных объекта. Первый это Камское водохранилище в районе впадения рек Сылва и Чусовая, где в зимний период формируется устойчивая вертикальная стратификация водных масс. Второй — Верхне-Зырянское водохранилище, созданное для технического водоснабжения калийных предприятий г. Березники и характеризующееся фильтрационными разгрузками высокоминерализованных подземных вод. Третий — участок Камского водохранилища в районе Березников, где в теплый период наблюдается «пульсирующая» однако имеющая очень важное значение для обеспечения устойчивости водоснабжения, стратификация. Полученные данные позволяют обосновать реконструкцию существующих водозаборных сооружений — в частности, поднятие оголовков водозабора выше границы раздела водных масс, что обеспечит забор воды требуемого качества и предотвратит попадание высокоминерализованных придонных вод в систему технического водоснабжения.

Результаты работы опубликованы в журнале «Вестник Пермского федерального исследовательского центра».

Изображение: Пермский федеральный исследовательский центр УрО РАН

Источник: Минобрнауки России