Способ управления дополнительными запасами воды при обводнении выработанных торфяников и устройство его осуществления

Способ управления дополнительными запасами воды при обводнении выработанных торфяников и устройство его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к добыче торфа, конкретно к работам по восстановлению торфяных болот на выработанных торфяниках и их рекультивацию.

Необходимость разработки средств и способов восстановления выработанных торфяников является эффективная система аккумуляция воды для восстановления водного баланса территории торфяников.

Значительная часть выработанных, а также выведенных из эксплуатации в начале 90-х годов XX века торфяных месторождений не рекультивировалась. Выработанные торфяники характеризуются полным либо частичным истощением водных запасов, пониженным (по сравнению с существующим до начала торфоразработок) уровнем грунтовых вод, отсутствием флоры и фауны, опасностью в пожарном отношении. Поэтому их обводнение является основным видом рекультивации выработанных и выведенных из эксплуатации торфяных месторождений, для чего необходимо иметь дополнительное (искусственное) увлажнение.

Для экологической реабилитации выработанных торфяников обводнение дает ряд преимуществ:

интенсификация процесса восстановления водного объекта;

возобновление и ускорение торфообразования;

восстановление природного предназначения территории как звена экологической системы (водно-болотные угодья);

резкое снижение пожарной опасности;

относительно низкая стоимость производства работ по сравнению с другими видами рекультивации.

К задачам, решаемым при обводнении выработанных торфяников, относятся: восстановление водосбора обводняемой территории и организация сбора поступающих на нее вод; подъем уровней воды на выработанной площади и прилегающей к ней территории до отметок, по возможности, приближающихся к отметкам, существующим до начала торфоразработок, то есть восстановление исходного гидрологического режима.

После восстановления гидрологического режима будет получен значительный экономический эффект за счет возобновления болото- и торфообразовательных процессов и последующего возрождения биосферных функций, а также ликвидации эрозионно- и пожароопасной ситуации не только на нарушенных участках торфяника, но и прилегающей к ней территории.

Пути и способы обводнения должны определяться с учетом: величины и конфигурации в плане, местоположения рассматриваемой площади относительно всего месторождения и окружающей территории; условий, сложившихся после окончания добычи торфа на месторождении; рельефа поверхности; уровневого режима каналов сети осушения и водоприемника.

Вокруг восстанавливаемого болота организуются буферные зоны по ограничению хозяйственной деятельности и в зависимости от типа болота устанавливаются их границы.

Известен способ тушения лесных пожаров, заключающийся в доставке в зону пожара сжиженного азота, используемого в качестве средства тушения, при этом доставку сжиженного азота в зону пожара осуществляют в сосуде из глубокозамороженного льда, при этом последний используют также в качестве средства тушения, для усиления эффекта тушения сжиженным азотом действием ледяной массы, за счет таяния которой поглощают тепло в зоне пожара и пропитывают ледяной водой почву, ликвидируя глубинные очаги пожара и препятствуя вторичному возгоранию (Патент RU №2147901, A62C 3/02 от 27.04.2000).

Недостатками данного способа являются то, что он предусматривает точечную доставку сжиженного азота в зону пожара, однако данный способ недостаточно эффективен, так как при контакте с огнегасящей жидкостью, идет, как бы ни была охлажденная вода на ее испарение достаточно эффективно, т.е. другими словами не происходит объемного воздействие газожидкостной смеси на объект загорания или, в лучшем случае, имеет место одномоментное воздействие этой газировочной смеси на объект. В таких случаях на выработанных торфяниках надо применять дополнительное (искусственное) увлажнение необходимое для восстановления нарушенного болота.

К известному аналогу можно отнести также способ тушения пожара путем подачи в очаг пожара насыщенной углекислым газом воды, которую насыщают до массовой концентрации газа 2-6%, после чего газожидкостную смесь замораживают до температуры (-15)…(-20)°С, формируя массой 4-12 кг, которыми покрывают очаг пожара (Патент RU №2302887, A62C 3/02 от 20.07.2007).

Однако известный способ достаточно трудоемок и малоэффективен, как и известный вышеотмеченный способ тушения лесных пожаров.

Известен способ предотвращения пожара в торфяниках, включающих прокладку каналов вокруг очага возможного возгорания, подачу и наполнение каналов водой, в зимний период прокладывают каналы по всему очагу возможного возгорания и намораживают в подготовленных каналах и естественных углублениях ледяные массивы посредством подачи воды в них в зимний период (Патент RU №2254154, A62C 3/02 от 20.06.2005).

Недостатком данного способа является при малом количестве выпавших осадков и интенсивном испарении на торфяно-болотных почвах, в подготовленных каналах в летний период, грунтовая вода нередко уходит глубоко в землю, при этом возникает вероятность возникновения пожаров. В таких случаях на торфяных почвах надо применять дополнительное (искусственное) увлажнение, в частности, это связано, как правило с подводом воды из естественных природных источников или искусственных водоемов, что в свою очередь, связано со значительными затратами энергии и материальных ресурсов, сложностью проведения работ.

Известен способ тушения пожара на глубине, включающий подачу воды ниже уровня поверхности земли, воду подают непосредственно к очагу горения, для чего в зависимости от глубины расположения очага на удаленном расстоянии от него проходят котлован глубиной, соответствующей глубине нахождения огня, и из него пробуривают горизонтальную с установкой обсадной колонны скважину в направлении очага горения либо, если огонь находится на значительной глубине торфяника, с поверхности земли на удаленном расстоянии от очага горения пробуривают наклонную с установкой обсадной колонны скважину в направлении очага горения и искривляют ее в горизонтальной плоскости на глубине горения торфа, затем в пробуренную любым способом скважину помещают перфорированную на конце бурильную трубу и подают в нее под давлением воду, после ликвидации очага горения бурильную трубу извлекают, а обсадную колонну используют для тушения повторного возгорания (Патент RU №2438739, A62C 3/02 от 10.01.2012).

Недостатком известного решения является использование сложной буровой установки с насосами, для реализации способа с поверхности земли требуется специальный котлован, хранения и отведения воды, кроме того, требует дополнительных энергетических затрат и времени. При этом использование известного решения ограничено тем, что необходимо долгое время проводить гидродинамическое нагнетание воды или специальной жидкости в очаг горения, т.е. другими словами, не происходят допустимые сроки затопления отдельных участков и колебания уровней грунтовых вод на них (в том числе на территории, прилегающей к обводненной площади), что не позволяет полностью исключение возможности возгорания торфяников.

Известен способ тушения пожаров на лесных и торфяных массивах, включающий выделение наиболее пожароопасных участков, размещение на площади участков вертикальных скважин, установку в скважины перфорированных труб, помещенных в водонепроницаемые термопластичные оболочки с дымообразующим пиротехническим составом, фиксацию координат скважин на лесопожарной карте, разбивку патрульных маршрутов для наблюдения дыма, определение границы пожара по местоположению дыма над скважинами, фиксирование его координат на лесопожарной карте, скважины бурят до глубины нахождения грунтовых вод и устанавливают в них дополнительно обсадные трубы с диаметром меньше диаметра перфорированных труб и обеспечивающим возможность прохождения глубинных насосов, которые при возникновении пожара через автоматические устройства подключают к автономным источникам питания, и подаю воду в разветвленную быстросборную трубопроводную систему (Патент RU №2442623, A62C 3/02 от 07.10.2010).

Обладая определенными преимуществами перед аналогами, этот способ обладает и существенными недостатками, которые заключаются в его принципиальной технической схеме воздействия на очаг возгорания, а именно высокая стоимость использования дополнительных труб с глубокими насосами, большой расход кабельной продукции и трудоемкость с дополнительными энергетическими затратами. Кроме того, располагающаяся от земной поверхности глубина грунтовых вод для каждой скважины будет различна, соответственно требуются изыскания и проектирования самостоятельных скважин с насосным оборудованием в целом.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ создания дополнительных запасов воды при восстановлении торфяных болот, характеризующийся тем, что осуществляется в осенне-зимний период года с установлением устойчивой среднесуточной температуры воздуха ниже температуры замерзания воды с использованием льда в виде блоков, выполненных в форме многогранников, при этом вблизи доступного источника пресной воды изготавливают блоки изо льда, затем изготовленные блоки с помощью транспортного средства перемещают на картированные участки выработанного торфяника и укладывают несколькими слоями в сооружение в форме многогранника, при этом на каждом картированном участке выработанного торфяника в зависимости от площади участка возводят одно или несколько сооружений из блоков изо льда (Патент RU №2461401, A62C 3/02, E02B 13/00, У21С 41/32 от 20.09.2012).

Недостатком данного способа является невозможность использования вод местного стока, непосредственно в зону рекультивации выработанных и выведенных из эксплуатации торфяных месторождений и восстановления исходного гидрологического режима, иначе говоря, отсутствие значительного экологического эффекта за счет возобновления болото- и торфообразовательных процессов и последующего возрождения биосферных функций, а также ликвидации эрозионно- и пожароопасной ситуации не только на нарушенных участках торфяника, но и на прилегающей к ней территории. Кроме того, пути и способы обводнения должны определяться с учетом: величины и конфигурации в плане, местоположения рассматриваемой площади относительно всего месторождения и окружающей территории; условий, сложившихся после окончания добычи торфа на месторождении; рельефа поверхности, величины сработки торфяной залежи; способа отвода воды с рассматриваемой площади; уровневого режима каналов сети осушения на время разработок торфяника и водоприемника. Другим недостатком является высокая трудоемкость работ и малый период времени продуктивного использования массивов льда, глубину заполнения выработок торфяника и становятся они малопригодными для эффективного использования при накапливании воды, формированию микроклимата, многоярусного сообщества и комплектности болотной растительности, т.е. отсутствует каскад лагун, который может проектироваться из местных строительных материалов, таким образом, чтобы эффективно накапливать воду, сглаживать пики водного стока, а это в свою очередь ликвидирует (уменьшает) эрозию и делает более равномерным распределение воды.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение - повышение эффективности работы системы и сокращения капитальных и эксплуатационных затрат, за счет подъема уровня воды на выработанной площади и прилегающей к ней территории до отметок существующим до начала торфоразработок.

Технический результат, достигаемый в заявленном изобретении, заключается в создании дополнительных источников объемов воды за счет весеннего половодья при активном таяния снега и атмосферных осадков в виде дождя для автоматизированной системы каскадного заполнения безуклонных лагун по мере иссушения территории болота (в маловодный период), начиная с наполнения водой со стороны верхнего бьефа на повышенных отметках с каскадными по трассе безуклонных лагун.

Указанный технический результат достигается тем, что заявленный способ управления создания дополнительных запасов воды при обводнении выработанных торфяников, заключающийся в использовании воды с доступного источника, ее перемещение на затапливаемые участки выработанного торфяника, создают зону накопления воды, которую формируют выше по течению относительно водозабора, а отбор расхода воды на нужды затопления выработанных торфяников осуществляют непосредственно в примыкающий ниже по рельефу пруд-накопитель, из которого подают в открытые безуклонные лагуны с перегораживающими грунтовыми дамбами в виде подпорных сооружений с отметками гребня до образования аккумулирующей емкости выше заданного расчетного уровня отметки гребня дамбы между прудом-накопителем и выработанным торфяником, при этом гребни дамб снабжают подпорными поворотными стенками с горизонтальной осью вращения с рычагами, свободные концы последних закрепляют к установленному наклонно в сторону верхнего бьефа противовесу, а подпорную поворотную стенку устанавливают наклонно в сторону нижнего бьефа, при этом нижний конец подпорной стенки имеет уступ порога, который водонепроницаемо сопрягается с гребнем дамбы.

Кроме того, вес противовеса определяют таким образом, чтобы момент сил от веса подпорной стенки и давления воды на нее относительно оси вращения подпорной стенки уравновешивался моментом от веса противовеса.

Кроме того, в качестве подпорной поворотной стенки применяют облегченный материал дерево в виде водосливного порога из досок.

Указанный технический результат также решается тем, что устройство для управления создания дополнительных запасов воды, включающее источник воды, ее перемещение на затапливаемые участки выработанного торфяника и средства для формирования аккумулирующих емкостей с перегораживающими грунтовыми дамбами в открытых безуклонных лагунах, средство для формирования аккумулирующей емкости дополнительно выполнено со стороны нижнего бьефа с поплавковым приводом посредством рычага, закрепленного на оси вращения подпорной поворотной стенки в автоматическом режиме.

Сравнительный анализ показывает, что для регулирования стока предусматривается вначале определение места расположения источника сбора воды, далее строительство водоподпорных сооружений, выбор конструкции и определение параметров водоподпорных сооружений, где следует учитывать такие факторы, как:

необходимость автоматического сброса излишков паводкового стока в нижний бьеф;

возможность использования для устройства подпорных сооружений и конструкций экологически чистых, не загрязняющих окружающую среду материалов;

возможность понижения уровня воды на площади (верхняя зона), тяготеющей к створу сооружения;

допустимые сроки затопления отдельных участков и колебания уровней грунтовых вод на них (в том числе на территории, прилегающей к обводненной площади);

недопущение отрицательного влияния обводнения на расположенные вблизи территории застройки;

минимально допустимые средние глубины (или максимально допустимый процент мелководья) на затапливаемых площадях (или необходимость учета проведения на них противомалярийных мероприятий);

необходимость определения параметров водоподпорных переливных сооружений в намеченных створах и, в частности, отметок порога водослива;

возможность поддержания расчетного уровня воды не только на участках выработанных торфяников, но и на всем болотном массиве, за счет обратной гидравлической связи с поплавковым приводом.

Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с отличительными признаками заявляемого способа и устройства, что соответствует критерию «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 показан способ управления дополнительными запасами воды при обводнении выработанных торфяников в плане.

На фиг. 2 - изображена автоматизированная система с установленными на гребне водосливной подпорной поворотной стенки с поплавковым приводом, продольный разрез.

На фиг. 3 - подпорная поворотная стенка, выполненная из строганных досок.

Заявленный способ управления дополнительными запасами воды при обводнении выработанных торфяников и устройство его осуществления, как с прямой, так и обратной гидравлической связью (смешанной), представляет собой конструктивно систему регулирования, включающую грунтовую подпорную плотину 1 с отметкой гребня 2 выше дна безуклонной лагуны 3. Гребень 2 грунтовой плотины 1 снабжают поворотной подпорной стенкой 4 с закрепленной осью 5 вращения и установленной с наклоном в сторону нижнего бьефа и водонепроницаемо сопрягают с грунтовой плотиной, с уступом 6 порога. При этом ось 5 вращения поворотной подпорной стенки 4 через уплотнительную прокладку 7 водонепроницаемо уперта в уступ 8 порога, и горизонтальную ось 5 вращения соединяют к установленному наклонно в сторону верхнего бьефа противовеса 9, отметка стенки 4 гребня 10 располагают ниже отметки расчетного подпертого уровня воды 11 подпорной плотины 1, и вес противовеса 9 определяют таким образом, чтобы момент сил от веса подпорной стенки 4 и давления воды на нее относительно оси вращения 5 подпорной стенки 4 уравновешивался моментом от веса противовеса 9. Стенка 4 может быть выполнена из дерева в виде строганных досок или из другого облегченного материала.

Помимо того, что способ управления включает последовательную гидравлическую связь, связанную с участком 12 выработанного торфяника, имеется возможность обратной гидравлической связи с расположенным прудом-накопителем 13 на входе в лагуну 3 за счет устройства поплавкового привода, включающего поплавок 14, связанного посредством штока 15, рычага 16 с осью 5 вращения поворотной подпорной стенки 4 и противовеса 9.

Для нормальной работы при недостатке вод местного стока с прилегающих выше расположенных болот 17 вокруг пруда-накопителя 13, в засушливые годы, их подают в напорном режиме дополнительно из реки 18 по закрытому трубопроводу 19, используя передвижную насосную станцию (не показано) на позиции у берега реки 18. Таким образом, имеется возможность постоянное заполнение пруда-накопителя 13, далее через последовательно расположенные лагуны 3 до перемещения местного стока на затапливаемый участок 12 выработанного торфяника. Управляя подпорно-регулирующими сооружениями 4 на лагунах 3, последние накапливают заданный объем воды для обводнения участка 12 выработанного торфяника, включая также пруд-накопитель 13, вышерасположенные болота 17 и реку 18, заполняя водами местного стоками до заданного расчетного уровня воды 20 в лагунах 3.

Расчет стенки 4 уровня верхнего бьефа производится по известным формулам гидравлики.

Задача решается путем подбора: при заданных ширине порога водослива и его отметке, и соответствующих им кривых пропускной способности сооружения Q_c=f(h_норм) и аккумулирующей емкости воды в створе сооружения (выше отметки порога) W_ак=f(h_норм), определяется МПУ (максимальный подпертый уровень) путем расчета трансформации гидрографа весеннего (летне-осеннего) паводка заданной обеспеченности вследствие временной аккумуляции части притока выше отметки порога водослива. Расчет производится исходя из условия заполнения лагуны, создаваемой сооружением, до начала паводка.

Для управления дополнительными запасами воды при обводнении выработанных торфяников поступают следующим образом.

По мере иссушения территории участка 4 выработанного торфяника (в маловодный период) происходит падение в нем уровня воды ниже отметки МПУ, подпорная поворотная стенка 4 за счет противовеса 9 закрыта. При накоплении воды выше отметки МПУ происходит автоматическое опрокидывание подпорной стенки 4 в сторону нижнего бьефа давлением воды Р со стороны верхнего бьефа, превышающий вес противовеса 9, далее сброс излишков воды в нижерасположенную лагуну 3 последовательно по длине трассы. После заполнения всех лагун 3 до отметок МПУ происходит поступление воды на территорию участка 4 выработанного торфяника до расчетного поднятия уровня в нем воды.

По мере иссушения территории окружающих участков болот 17 (в маловодный период) происходит падение уровня воды ниже отметок МПУ. Поворотная стенка 4 реагирует на эту команду и начинает закрываться, тем самым поддерживая уровень воды на заданной отметке МПУ, в лагуне 3 остается часть объема воды W_ак. При этом затопление лагун 3 начинается с верхних участков и зависит от поступления местных стоков в пруд-накопитель 13. В случае недостачи воды в нем, из реки 18 по закрытому напорному трубопроводу 19 подают воду в пруд-накопитель 13, далее процесс заполнения лагун 3 повторяется.

Следует отметить, что строительство всей системы регулирования начинается с обустройства подачи местного стока с прилегающих территорий торфяных или иных болот (их также иногда называют также лагунами), наполнение которых происходит за счет накопления снега в зимний период, а также атмосферных осадков в виде дождя (весенне-летний и осенний периоды). Лагуны с дамбами формируют каскад из местного строительного материала.

По варианту выполнения устройство работает следующим образом.

При полном расчетном заполнении участка 12 выработанного торфяника (не допуская излишек перерасхода воды на сброс) с лагуной 3, и далее с поплавковым приводом, поплавок 14 поднимается вверх и посредством штока 15, рычага 16 поворачивает ось 5 вращения вместе с поворотной стенкой 4. В этом случае образуется обратная гидравлическая связь лагун 3 с верхним бьефом пруда-накопителя 13, и количество воды в нем увеличивается, т.е. используется емкость пруда-накопителя 13. Таким образом, система каскадов лагун работает в двух режимах (прямая и обратная гидравлическая связь), в результате участок 12 выработанного торфяника постоянно находится в затопленном состоянии, а это устраняет возможность и его возгорания.

В результате чего территория обводнения претерпит изменения:

поднимается уровень грунтовых вод;

в лагунах и понижениях образуются запасы воды;

при прохождении паводков несколько снизятся и сдвинутся по времени их максимумы расходов за счет аккумуляции части объема стока;

в меженные периоды, особенно в маловодные годы, часть стока будет задержана (и перераспределяться) на обводняемой территории;

в маловодные периоды на обводняемых территориях будет исключена возможность возгорания торфяников.

Таким образом, включение в состав регулирования водного режима обводняемой территории позволяет рационально использовать лагуны и другие площади выше расположенных торфяников для обводнения выработанных торфяников местным стоком, их аккумулирования и перераспределения с вышерасположенной водосборной площади и из пруда-накопителя по каскаду лагун до участка выработанного торфяника. Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет существенно упростить компоновку способа управления дополнительными запасами воды при обводнении выработанных торфяников, повысить надежность его работы, снизить транспортные и энергетические затраты на подачу воды; использовать технологию системы подачи воды, обеспечивая как эколого-мелиоративную обстановку территории, так и, следовательно, предотвращение возможного возникновения пожара в засушливые периоды года.

Таким образом, использование данного изобретения позволит снизить материальные затраты на строительство, обслуживание и ремонт системы подачи местного стока воды. Совокупность признаков раскрытия сущности изобретения достаточны для его практической реализации при строительстве обводнения выработок торфяников.

1. Способ управления дополнительными запасами воды при обводнении выработанных торфяников, заключающийся в использовании воды из доступного источника, ее перемещении на затапливаемые участки выработанного торфяника, отличающийся тем, что создают зону накопления воды, которую формируют выше по течению относительно водозабора, а отбор расхода воды на нужды затопления выработанных торфяников осуществляют непосредственно в примыкающий ниже по рельефу пруд-накопитель, из которого подают в открытые безуклонные лагуны с перегораживающими грунтовыми дамбами в виде подпорных сооружений с отметками гребня до образования аккумулирующей емкости выше заданного расчетного уровня отметки гребня дамбы между прудом-накопителем и выработанным торфяником, при этом гребни дамб снабжают подпорными поворотными стенками с горизонтальной осью вращения с рычагами, свободные концы последних закрепляют к установленному наклонно в сторону верхнего бьефа противовесу, а подпорную поворотную стенку устанавливают наклонно в сторону нижнего бьефа, при этом нижний конец подпорной стенки имеет уступ порога, который водонепроницаемо сопрягается с гребнем дамбы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вес противовеса определяют таким образом, чтобы момент сил от веса подпорной стенки и давления воды на нее относительно оси вращения подпорной стенки уравновешивался моментом от веса противовеса.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве подпорной поворотной стенки применяют облегченный материал - дерево - в виде водосливного порога из досок.

4. Устройство для управления дополнительными запасами воды, ее перемещение на затапливаемые участки выработанного торфяника и средства для формирования аккумулирующих емкостей с перегораживающими грунтовыми дамбами в открытых безуклонных лагунах, отличающееся тем, что средство для формирования аккумулирующей емкости дополнительно выполнено со стороны нижнего бьефа с поплавковым приводом посредством рычага, закрепленного на оси вращения подпорной поворотной стенки в автоматическом режиме.