Коллектив исследователей Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН разработал гидродинамическую модель, позволяющую повысить эффективность управления качеством воды в водохранилищах с выраженной вертикальной плотностной стратификацией. Она может стать основой для создания принципиально новых инженерных решений устойчивого технического водоснабжения промышленных предприятий.
В процессе эксплуатации водохранилища в нем может сформироваться плотностная стратификация — неравномерное распределение плотности по глубине, при которой более плотная жидкость, например, насыщенная солями, находится в придонной области, а менее плотная локализуется на поверхности. Как правило, такое распределение устойчиво и необходимо прикладывать усилия, чтобы вымыть такую тяжелую жидкость из придонной области.
Гидротехническое регулирование традиционно опирается на оперативное управление уровнями и расходами воды. Базовым 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 ФИЦ 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.
Сотрудники Института механики сплошных сред УрО РАН (филиал Пермского ФИЦ УрО РАН) построили численную модель и провели серию вычислительных экспериментов, которые позволили детализировать инженерные решения для устойчивого технического водоснабжения 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.
«Мы изучили, как на качество воды в Верхне-Зырянском водохранилище влияет работа водопропускных устройств — сооружений, через которые во время весеннего половодья вода сбрасывается ниже плотины. С помощью трехмерной численной модели мы сравнили два варианта: сброс воды из поверхностного слоя и сброс из придонного. Расход воды в обоих случаях одинаковый, а результат принципиально разный. При поверхностном сбросе водохранилище промывается лишь частично: граница между пресной и соленой водой почти не опускается, и самая соленая вода по-прежнему остается у дна. Если же отводить воду из придонного слоя, уже за первые сутки содержание солей у дна снижается вдвое, а за пять суток — в десять раз, и вода в водохранилище становится практически однородной по составу. Переоборудование водосброса требует значительных затрат, и наша модель позволяет заранее, еще до начала реконструкции, оценить, насколько эффективным оно будет», — рассказала один из авторов исследования, заведующая лабораторией вычислительной гидродинамики ИМСС УрО РАН, профессор Татьяна Любимова.
Работа выполнена в рамках крупного научного проекта при финансовой поддержке Минобрнауки России.
