Усны барилгын хэтийн төлөв /Outlook to future hydraulic structure/

Усны барилгын хэтийн төлөв

Калипорниагийн хуурайшилт Хойт америк тивийн ихэнх бүсийн хувьд аюулын дохио болж өнгөрлөө. Цогцлоон бүтээсэн хэдэн арван сая хүнтэй хотын ус хангамжийн эх үүсвэр усаар гачигдахад ямар аюул нүүрлэхийг нойлын ус хаанаас ирж, хаашаа урсдагийг мэддэггүй иргэд төсөөлөхчгүй. Харин Калепорниагийн иргэд одоо NOW I GOT IT болж ус ямар чухал болохыг мэдэрч байна. Газрын доорхи усыг шавхагдахгүй мэт үзэж байсан удирдлагуудын үзэл өөрчлөгдөн аль болох түргэн эргэлдэх гадаргын усны нөөцрүү анхаарал хандуулах болж байна. НАСА-гийн мэдээлж байгаагаар ойрын 35 жилд мега хуурайшилт болно гэсэн урьдчилсан судалгаа байгаа аж. Өөр гаригтай шүргэлцэхгүй л бол дэлхийн усны нийт масс хэзээд тогтмол байх ба гагцхүү цэвэр усны нөөц, түүний хомдолд л санаа зовж буй хэрэг. Усыг бохирдуулагч нь дан ганц хүн төрөлхтөн учраас үүргээ ухамсарлаж орчин үеийн суут Билл Гейтс ус цэвэрлэгээ, аруйн цэврийн асуудлаар нилээдгүй ахицтай судалгаа, олотыг хийж байна.  

Керр боомтын ус халиагуур

Ингээд сэдвийн дагуу 2014 оны 6-р сард Гидравлик судалгааны сэтгүүлд хэвлэгдсэн Hydraulic structures: a positive outlook into the future хэмээх өгүүллээс гол болгон хэтийн төлөвийн төсөөллийг хэрхэн авч үзсэнийг сонирхоё. Төрсөн нэг санаагаа өнгөөр ялган бичсэн ба бусад нь өгүүллээс орчуулсан гэдгийг ойлгоорой. Мэргэжлийн зарим үгийг орчуулгатай нь оруулсан тус оюутнуудад дэлгэрүүлж хайхад дөхөм болох байх. 

Усны барилгийн хэтийн төлөв ирээдүйд

Вилл Х Хагер, Роберт М Боес нарын суурь таамаглал

Усны барилга байгууламж усны инженерчлэлийн ирээдүйд чухал өөрчлөлтийг авчирах байнга оршин байх элемент гэж хэлмээр байна. Дэлхийн хоёрдугаар дайны дараа эрчим хүчний эрчимтэй хэрэгцээнээс хамаарч түр зуурхан сонирхол татаад гол мөрөн, далайн эргийн байгууламж, хүрээлэн буй орчны дэвшлүүдийг эс тооцвол өдийг хүртэл олигтой шинэчлэл дэвшилгүй өнхөрч ирсэн элемент юм. Эдгээр үеүүдэд усны барилгын шийдлүүд голдуу олон фазат, турбулент урсгалыг агуулах комплекс физик шинжтэй учир туршилт судалгаанд суурилж ирсэн билээ. Зарим аргачлал практикт тохирохгүй гэдэг нь батлагдаж, туршилт явуулах хэт өртөгтэй болж байна. Ерөнхийдөө бол дэлхийг усны гачаалал, хомсдолд оруулахгүйн тулд шинэчлэл, дэвшилээ хийх цаг нь ирсэн, бас нэг амин чухал хэрэгцээ болох эрчим хүчтэй холбогддог учир ирээдүйд хөгжлийн голлох үүргийг усны барилга гүйцэтгэнэ гэж төсөөлж байна.

Усны барилгыг бид байгаль дээрх шингэний урсгалтай харьцуулж тодорхойлбол шингэний урсгалыг сайжруулах, чиглүүлж өөрчлөх боломжийг усны инженерчлэлд олгодог элемент гэж тодорхойлж болно. Өөрөөр хэлбэл ус байгалиар /унаган байгаль/ эсвэл усны барилгаар /хүний гараар бүтсэн/ урсан шилжих хөдлөх хоёрхон боломж байна гэж үзэж болно. Усны барилгын элементүүд нь урсгалын ширүүн нөхцөлд тооцогдох, янз бүх нөхцөлд урсгалыг шилжүүлэх, чиглүүлэх, шахах, сунгах, хуримтлуулах гэх мэт үйлчлэлийг үзүүлж орчиндоо аль болох тогтвортой бат бэх байх үүднээс бетон, ган гэх мэт бат бөх материалаар баригддаг. Голын инженерчлэлд голдуу хагшаасны хөдөлгөөн, урсгалын горим, харигиа боргио, ёроолын ачаалал, гүүрийн тулгуур орчмын угаагдал, зөөгдөл, түүнээс хэрхэн сургийлэх, далавч байгуулах гэх мэт асуудлууд хөндөгдөх ба материалын хувьд байгалийн чулуу, бетоныг түлхүү ашиглана. Өнгөрсөн үед судалгааны чухал сэдвүүд эдгээрт чиглэж байсан бол ирээдүйд хадгалагдах шинж харагдсаар байна.

Усны барилга 19-21 – р зуун хүртэл

Дэлхийн 2-р дайны төгсгөл орчимд очвол гидравлик судалгаа нь усны барилга байгууламжийн төсөл тооцоонд төвлөрсөн байгаа нь 19-р зууны нийгмийн чухал бүрэлдэхүүн болох боомт, усан сан байгуулах, усалгаа эрхлэх, үерээс хамгаалах, ус хангамж, энерги үйлдвэрлэлт зэргээс харагдана. Боомтын инженерчлэл дэвшил авчирч боомтын өндөр, өргөн барих боломж бүрдсэнээр түүний үр ашиг даган нэмэгдэв. 20-р зууны эхэн үед шороон боомтын холимог хийцүүд /чулуун бэхэлгээтэй, ул хөрсөн дүүргэлттэй, шавран зүрхэвчтэй гэх мэт/ нэвтэрсэнээр геотехникийн инженерчлэл, хөрсний механикт чамгүй амжилтуудыг дагуулсан юм. Дэлхийн хоёрдугаар дайны дараа 100м-ээс өндөр боомтын тоо дэлхий даяар эрчимтэй ихэсч 1990 он хүртэл тоо нь 30-500 болтол нэмэгдсэн байна. Энэ үед шороон, хүндийн хүчний, тулгуурт гэх мэт төрлийн хийцүүд аркан боомтын хийцээр солигдож энэ чиглэлийн төсөл тооцооны аргачлалууд эрчимтэй хөгжсөн. Хийцийн өөрчлөлт усны барилгад шинэ асуудлуудыг авчирсан нь гидравлик үсрэлтийн нөлөөлөл бүхий чөлөөт угаагдал /jet scour/, кавитаци ба аэрозаци /cavitation problem/, элэгдэл /abrasion/ гэх мэт байв. Эдгээр асуудлууд өндөр боомтуудыг барьж ашиглаж байсан толгой улсуудад судлагдаж зохих хэмжээгээр шийдвэрлэгдэж байсан. 1960-аас 1970 оны үед усны барилгын төсөл тооцонд шинэ бодлогууд орж ирсэн нь нягтын үйлчлэл /density current/, усан сангийн үелэл /stratification of reservoir/, ус олборлолт /withdrawal of water/, далайн үйлчлэл /marine currents/ болон эргийн инженерчлэл зэрэг байв. 1970 ба 1980 оноос тооцон бодох аргууд эрчимээ авч эхэлсэнээр усны барилгатай холбоотой асуудлууд биш болж ахисан түвшинд хэлэлцэгдэж шийдэлийг “буурал аав” судалж эхлэв. Гэтэл усны барилга дахь урсгалын комплекс байдал орхигдон байгаа ТБШД-ын хэрэгсэл, програмууд бодож чадахгүй байсаар байгаа нь зориулагдаагүйн шинж. Өөрөөр хэлбэл усны барилга дахь шингэний хөдөлгөөн ихэвчлэн хоёр фазат, орон зайнаас хамаарсан, 3-н хэмжээст орчинд нэгэн төрлийн бус гэх мэт байдлаас болж боломжтой програм хангамжийгшууд ашиглахад хүндрэлтэй, учир дутагдалтай байв. 1990 оны үед судлаач бид нар “Бид усны барилга, гидравлик судалдаг” гэж хэлэхээсээ математик физикийн салбарын хамтран зүтгэгчдээсээ ичдэг байсанаа нуух юун. Учир нь тооцон бодох гидравлик нь ус халиагуур, хаалт, гидравлик үсрэлт, энерги унтраагч /energy dissipators/, шороон боомтын дотуур ба доогуур шүүрэлт гэх мэт бүрэн боловсорсон шийдэлтэй бодлогоос хэтрэхгүй, бас онцгой сайн шийдэлгүй, тэдгээр нь ус ба барилгатай холбоотой учир энгийн хүмүүст ач холбогдолгүй мэт санагддаг байсаных юм. Ялгаагүй байгууламжийн хэмжээс /structural dimensions/, умбах хязгаар /submergence limits/, алдагдлыг коэффициент /loss coefficient/, зарцуулга /discharge/ гэх мэттэй холбоотой бодлого, үзэгдлүүд бүрэн мэдэгдсэн байсан.

Сүүлийн хэдэн жил усны барилга, гидравлик судалгаанд мандалт ажиглагдаж эхэллээ. Эерэг чиглэлд хөгжих зарим нэг суурь тавилтууд харагдана. Гидравлик багаж хэрэгсэлүүд сайн хөгжсөн, урсгалын суурь параметрүүдийг сайн хэмжиж чадна. Жишээ нь агаар усны холимог урсгалд орчны агаарын концентрацийг тодорхойлох, урсгалд үүссэн бөмблөгийн шинж чанарыг тодорхойлох, холимог хурд эсвэл хязгаарын давхрагын мэдээллийг судлах илрүүлэх боломжийн тухай бодъё. Мөн турбулент урсгалын онцлогуудыг бичих даралтын нүдний /pressure cell/ дэвшлийн тухай бодъё. Лазерт суурилсан техник болох Эгэл хэсгийн тусгалын хурд хэмжигч /PIV-Particle image velocimetry/, Лазер Допплер анемометр /Laser Doppler anemometry/ гэх мэт нь урсгалын хурдны оронг бүхэлд нь төвөггүй хэмжих судлах боломжийг олгох, чөлөөт гадаргын хурдны оронг хурдны мөрний аргаар /velocity tracking method/ судлах боломжийн тухай бодъё. Эдгээр бүх хэмжилтийн төхөөрөмж гидравлик болон бусад ойролцоо шинжлэх ухаан инженерчлэлийн салбарт маш эрчимтэй хөгжиж одоогийн судалгаанд ач холбогдолтой нөлөөг үзүүлж байна.

Хоёр дахь асуудал нь дэлхий дахины ногоон эрчим /сэргээгдэх эрчим хүч/ хүчний асуудал нь усны барилгын шинэчлэлийг өдөөж байна Усны эрчим хүч сэргээгдэх эрчим хүчний том, тогтвортой салбар байсаар байгаа бөгөөд хэд хэдэн улсууд потенциалаа өсгөхийг оролцож байна. Хятад л гэсэд дэлхийн хамгийн том эрчим хүчний станцыг барьсан нь Гурван хавцлын усан цахилгаан станц болж байна. Энэтхэг Бразилчууд эрчим хүчний нэмэгдүүлэх чиглэлээ ус хэмээн баталж байна. 2011 оны Фүкүшимагийн аюулаас бол зарим улс орнууд цөмийн энергийг эрчим хүчний салбараасаа үзэж татгалзаж байна. Маш олон давуу талтайгаараа давалгаа, салхи, газрын гүний дулааны, биомассын, усны эрчим хүч станцууд сайшаагдаж байгаа бөгөөд бусад эх үүсвэртэй харьцуулбал харьцангуй аюул багатай, сайн хөгжсөн, хөгжиж буй технологиуд юм.

Усны барилгын шинэ түвшинд илгээх гуравдахь шалтгаан нь орчин үеийн тооцон бодох шингэний динамик дахь туршилтын мэдээ өгөгдлийн хэрэгцээ юм. Усны инженерчлэлийн судалгааны сэтгүүлийг бүхэлд нь базвал хосмог загварчлалын тухай санаа гарах ба тэдгээрт туршилт ба тооцон бодох аргыг хослуулах ингэснээр оновчит шийдэлд хүрэх, үр дүнг шалгах /calibration/,  баталгаажуулах /validation/ үйлдэлд тэдгээрийн хосмог үр дүн шаардлагатай байгааг олонтаа дурьдсанаас харагдана. Мөн ихэнх ШДТБ загварчлалын кодууд оролт, анхны болон хязгаарын нөхцлийг шаарддаг. Энд мөн туршилтын үр дүнг авахаас өөр арга байхгүй.

Бүхэл дэлхийг эсийн түвшинд бүрэн загварчилахаас нааш анхны ба хязгаарын нөхцлийг алгасах боломжгүй.

Хосмог загварчлалыг тооцон бодох болон туршилт гэж ойлгохоос гадна хамааралгүй өөр өөр тооцон бодох аргуудын хослол байж болох ба эдгээр дээр үндэслэсэн эерэг хөгжил нь тухайн нөхцлийн судалгаа /case studies/ бөгөөд үүнийг АНУ-ын Барилгын инженерүүдийн нийгэмлэгийн Усны инженерчлэлийн сэтгүүл тууштай дэмжин ажилладаг.

Хамгийн сүүлийн шалтгаан бол дэлхий дээрх усны үнэ цэнэ юм. “Усгүй амьдрал гэж үгүй” гэж бүгд л тодорхойлдог. Энэ үг хүн амын өсөлт ихэсэх тусам үнэ цэнээ өсгөх ба нийгэмд амьдрах орчны тодорхой стандарт тогтоход чухал үүрэг хүлээнэ. Холбоотой асуудлууд нь хэрхэн усаар хангах вэ, усаа яаж цэвэршүүлэх вэ, усны чанарыг яаж хянах, сайжруулах вэ, усны хүртээмжийг хэрхэн сайжруулах, үерээс хэрхэн хамгаалах, хуурайшилт ганг хэрхэн давах гэх мэттэй холбогдоно. Сүүлчийн асуудал бол дэлхийн хэмжээнд авч үзвэл асар том сорилт бөгөөд усны тэнцвэргүй байдлыг үгүй хийх аюулгүй эрсдэлгүй боломжтой арга гэж одоог алга. Өнгөрсөн хагас зуунтай харьцуулбал орчин үеийн нийгэм усны эрүүл, ялангуяа эргийн орнуудад аюулгүй байдалд хүчтэй шаардлага тавих боллоо. Энэ нь усны барилгатай салшгүй холбоотой ба усны хэмжээ, урсгалын хурднаас /цунами, хар салхи, үер г.м/ хамаарч хохиролын тоо хэмжээ тооцогддог аюул юм. Иймд усны барилгын төсөл тооцоонд авч үзэх шаардлагууд даган өсөн нэмэгдэв. Боомт бүхий усан сангийн хувьд ч аюулгүйн асуудал, хяналт хэмжилтийн асуудал чухал болсоор байна. Ялангуяа усан санд үүсэх долгион боомтын бат бэхэд нөлөөлөх байдлыг сайн хянаж ажиллагааг жигдлэх хэрэгтэй болов. Хүний амьдралын салшгүй хэсэг болж нийгэмд үүрэг гүйцэтгэж буй барилгуудын бүрэн бүтэн байдлыг хангах, ашиглах, ирээдүй өсөн нэмэгдэх шинээр бий болох барилга байгууламжийг барихад усны инженерчлэлийн мэдлэг чадварт дэвшил хийгдэх нь ойлгомжтой болсон тул ихэнх их сургуулиуд сурах бичгээс эхлүүлэн өөрчлөн байгуулалтыг өрнүүлж байна. Гидравлик, усны барилгатай холбоотой нийтлэг тулгамдсан асуудлыг олон улсын суурь судалгааны байгууллага болох ОУГС төв /IAHR-Олон улсын Гидро-Хүрээлэн буй орчны судалгааны холбоо/ нь “Дэлхийн усны асуудлууд” нэрийн дор чиглэлийг барьж усны инженерүүдийн үзлээр хэсэгчлэн шийдвэрлэж үр дүн хүрч байна.

Гидравликийн лаборатори тэтгэвэрт гарах болоогүй

Анхны мэргэжлийн лабораторийг 1898 онд Хуберт Энгельс /1854-1945/ Дрездений Их сургуульд байгуулжээ. Энгельс ба түүний хамтран ажиллагчид задгай голдирол дахь усны урсгалын чөлөөт гадарга, эсвэл голын ёроолын орчмийн судалгааг хийж, гүүрийн тулгуурын орчим дахь цумбан угаагдлын /horse-shoe/ үзэгдлийг судалж байжээ. Лабортаори байгуулж судалгаа хийх нь маш үр дүнтэй шиэлэг байсан учир европ даяар судалгааны лабораториуд байгуулагдан ажиллаж эхэлжээ. 1929 онд Жон Р Фрееман /1855-1932/ гидравлик туршилт судалгаа явуулах, лабораторын туршилтын тухай бүтэн ном туурвисан ба үүний ачаар маш олон лабууд, ус хангамж, усжуулалтын томоохон системүүд, усан цахилгаан станц, боомтууд Америкт баригдаж усны барилгын хөгжлийг Евродчуудаас илүү тэргүүлэх болов. 1980 оноос шинэ тооцоо судалгааны хандлага ТБШД гарч ирсэнээр практикт олон асуудлыг компьютерийн тусламжтайгаар шийдвэрлэх болж АНУ болон бусад улсуудын судалгааны төв их сургуулиуд лабораторын судалгааг үйлдэх нь ховордож бараг жагсаалтнаас гарах хандлагатай болов. Харин зарим улс тухайлбал Швед лабораторийн үйл ажиллагааг тооцон бодох судалгааны хөгжилтэй зэрэгцүүлж байна. Швейцарын Зүрич их сургууль шинэ чиглэлийн гидравликийн лабораторийг ашиглалтанд оруулан ажиллаж байгаа ба энэ нь Альпийн улсуудад ач тусаа өгнө гэдэгт итгэлтэй байна. Зүрич Их сургуулийн лаборатори 7 тогтмол ажлын байртай ба тэдгээр нь сургалт, бодлого, техник хариуцаж ажилладаг нь маш саашаалтай байсан. Бусад олон их сургуулийн лабораториор ороход тоног төхөөрөмж, лоток, насос, хоолойн систем, физик загварууд адилхан байгаа боловч лабораторын ажилчид нэгч байхгүй байсан нь харамсалтай санагдаж байв. Лабораторийг зөвхөн дозтор оюутнууд ашиглаж өөрсдөд хамаатай физик загварыг үйлдэж туршихаас өөр зүйл өрнөхгүй чимээгүй лаборатори олон байв. Эцэст нь дүгнэн хэлэхэд лабораторийн үйл ажиллагаа бол гидравлик судалгаа, чанартай бат бөх усны барилга барихад салгаж болохгүй чухал зүйл юм. Ирээдүйн судалгааны аргачлал хосмог буюу туршилт тооцон бодох хослосон хандлагатай байх нь ойлгомжтой ба туршилт судалгаа /physical model/ эсвэл тооцон бодох судалгааны үр дүнг бодит барилга /prototype/ үзэгдэл дээрх мэдээлэлд харьцуулах боломжруу дөхөх юм.

Орчин үеийн гидравликийн асуудлууд

Усны барилга байгууламж нь ихэвчлэн задгай голдирол /open channel flow/ дахь шингэний хөдөлгөөнтэй хоблогдоно. Эдгээр нь намуун /subcritical/ ба ширүүн /supercritical/ эсвэл критик /critical/ төлөвтэй байна. Намуун урсгалыг ажиглах, урсгалын хэв маягийг дүрслэхэд хялбар байдаг ба ихэвчлэн нэг фазат урсгал л энэ горимд байна. Эсрэгээр ширүүн урсгал хоёр фазат /water-air flow/ байх ба ажиглахад бэрх байдаг.

Намуун урсгал

Ердийн гидравлик загварт усны гүн 0.3м, урсгалын хурд нь (gh)^1/2=1.7м/с – ээс бага бол үзүүлэх хүчний үйлчлэлийг багажний тусламжтайгаар хялбархан судлах боломжтой ба 1D, 2D бүх 3D -т анхаарал хандуулж болох юм. Үнэндээ усны барилган инженерийн практикт ихэвчлэн 1 ба 2 хэмжээст урсгалыг авч үзэх ба 3н хэмжээст нилээд түвэгтэй болж эхэлнэ. Намуун урсгалд гольдролын хязгаараас урсгал хөндийрөх үед маш том хөндийрөл үүсэх ба энэ нь ажигдагдахад бэрх турбулент горим байдаг. Үүнтэй холбоотой үзэгдлийг Зүрич Их сургуулийн лабораторид бага түрэлттэй УЦС-ын турбины ас авах толгойн орчимд суурилуулсан загас хамгаалах хөшөгний судалгаагаар ажиглажээ.

Figure 1. Турбинлуу загас дээд болон доод хашицаас орохыг хориглосон хөшигний гидравлик судалгаа. Босох өнцөг /slat angle/ нь 90, таших өнцөг /screen angle/ нь 45 градус, савх хоорондын зай 0.025м, гүн 0.05м, тэгш өнцөгт савхны зузаан 0.005м, дөхөх хурд 0.20м/с, дөхөх урсгалын гүн 0.40м, дөхөх Фрудын тоо 0.10, Рейнольдсын тоо 125000. а зураг хажуугаас харж байна. b зураг 2 хэмжээст урсгалын хэв маягыг дээрээс харсан, c хурдны оронг, d урсгалын шугам, e- скаляр зургийг харж байна.

Энэхүү судалгааг 2 хэмжээстээр хийсэн, 3 хэмжээстээр хийх нь үр дүнгийн хувьд ямарч ялгаагүй ижиж зүйл юм. Судалгааг хийхдээ хэвтээ ба босоо чиглэлд “эгэл хэсгийн хурдны тусгал хэмжих- PIV” аргыг ашигласан ба Дууны Допплер хурд хэмжигчийг /Acoustic Doppler Velocimetry/ ашигласан байна. Эцэст нь хүрээлэн буй орчны болон усны инженерүүд харилцан шийдэл үр дүнд хүрсэн, гольдролын усан цахилгаан станцад хамааралтай сайн судалгаа болж өнгөрчээ. Усны барилга хэрэглээнээсээ хамаарч олон янз тухайлбал задгай голдиролд тэгш өнцөгт эсвэл трапец, газар доогууо ус зайлуулах системд дугуй огтлолтой байх боловч геометрийн зөв дүрсийг агуулдаг нь урсгалыг хялбар болгодог.

Ширүүн урсгал

Намуун урсгалыг бодвол ширүүн урсгалд тайлагдаагүй үзэгдлүүд олон бий. Судалгаа хийгдэж буй сэдвүүдийн 10 гаруй хувь нь шүирүүн урсгалтай холбогддог, усны барилга ихэвчлэн ширүүн урсгалд ажилладаг боловч судалгаа ихэвчлэн намуун урсгалыг авч үздэг байна. Энэ нь лабд 1. Урсгал үүсгэхэд бэрх, 2. Урсгалыг хянах бэрх, 3. Загварын барих хүнд, 4. Мэдээллын ашиглалт хангалтгүй болон 5. Масштабны нөлөө ихтэй гэх мэт дутагдлаас болдог байж болох юм. Дээр дурьдсанчлан ширүүн урсгал нь ус ба агаарын холимог байх ба агаарын урсгалыг ажиглах нь үнэхээрийн бэрх явдал юм. Ширүүн урсгал нь туннель, ус хаяур, ус авах барилга, толгойн барилга, өндөр түрэлттэй гаргах барилгуудад ажиглагдана. Ширүүн усгалд даралтаас үүдэлтэй цохилт бий болох нь бас судлагдаж байгаа бодлогуудын нэг юм.

Figure 2. Ирланд дахь Карахнжукар ус хаях барилгын физик ба бодит барилга хоорондын масштабны нөлөө

Figure 3. өндөр хурдтай ёроолын ус гаргуурын хаалтан доогуурх хөдөлгөөн.

Figure 4. Чөлөөт үсрэлттэй ус халиагуурын энерги унтраагчийн судалгаа. Буух хурд өндөртэй, Фрудын тоо а-3, b – 5, c – 7 тус тус байна.

Ширүүн урсгалд даралттай чөлөөт гадарга бүхий урсгалыг судлахад хүндрэл байсаар байна. энэ төрлийн урсгалын жишээ нь ус авах барилга болон хурын ус зайлуулах системний худаг доторхи усны урсгал юм. Тухайлбал турбины үр ашиг усны түвшний зөрүүнээс ихэнхдээ ус авах толгойн байрлалаас хамаарна. Зарим тохиолдолд ус авах толгойн байрлал дээр байх үед усны түвшний уналтаас болж чөлөөт гадаргад толгой ил гарсанаар түрэлтийн хоолойд агаарын оролт бий болно. Агаарын оролт барилгын хананд муу нөлөө үзүүлж кавитацийг идэвхижүүлэх нөлөөтэй. Харин толгойг доор байрлуулбал агаарын оролт байхгүй ч турбины ажиллагаанд үр ашиггүй. Тэгэхээр турбины ус авах толгойн байрлалыг зөв тогтоох нь бас жижиг гэлтгүй чухал асуудал болдог.

Figure 5. Агаарын оролттой хуйлралт, ус зайлуулах хоолой дахь аэрозаци

Зөвхөн хурын ус зайлуулах гэлтгүй бохир ус зайлуулах системд худгийн доторхи хувилын хийж зохимж чухал үүрэгтэй. Томоохон хотуудын борооны ус зайлуулах шугамын холбох болон үзлэгийн, чиглэл өөрчлөх худгуудын хийцэд даралтат чөлөөт гадаргатай усны туршитлыг заавал хийх шаардлагатай болдог.

Figure 6. 45 градусын нугларалтай ус зайлуулах шугамын худгийн ховилын судалгаа.

Ирээдүйн төлөв

Усны барилга, түүнтэй холбоотой салбар дахь хүлээгдэж буй судалгааны үйл ажиллагаанууд өөр өөр сорилтуудыг авах нь ойлгомжтой. Доорх жагсаалт нь одоогийн болон чухал асуудал болоод байгаа суурь судалгааны сэдвүүд бөгөөд эдгээрийг ач холбогдлоор нь ангилаагүй болно. Эдгээр судвүүд эхлээд ерөнхий байдлаар судлагдаж цаашид инженерийн тусгай төслүүдэд тухайлан хөгжих нь ойлгомжтой. Физик болон тоон загварууд хоёул ирээдүйд чухал байр суурь эзлэнэ. Нэгдмэл хандлагийг хэрэглэх нь гидравлик үүднээс оновчтой, эдийн засгийн хувьд ашигтай шийдэлд хүргэнэ. Ингээд өнгөрсөнд суурилж ирээдүйд нарийвчлагдах асуудлуудыг товч авч үзье.

Ёроолын ус гаргуурууд /bottom outlets/ – холимог болон өндөр хурдтай урсгалыг хамтад нь авч үзнэ. Ёроолын ус гаргуур, туннелийн байгууламжийн ажиллагааг найдвартай төсөллөхийн тулд сайтар судлагдах, өнгөрсөнд ач холбогдол бага өгсөн сэдвийн нэг бөгөөд усан сангийн хагшаас суулт, түүнийг угаахад ёроолын ус гаргуурын ажиллагаа чухал үүрэгтэй.

Хагшаас угаах туннель /sediment bypass tunnels/ -  ихээхэн хатуу урсацтай голд баригдсан усан сангууд хагшаасанд дарагдах, үл хөдлөх түвшин тооцоолсон хугацаанаас өмнө дүүрэх тохиолдлууд дэлхий нийтээр их байгаа ба энэ нь усан сангийн ажиллагаа, түүний эзлэхүүний хуваарилалтанд сөрөгөөр нөлөөлж байна. Энэ асуудлыг шийдэхийн тулд хагшаас угаах туннелийн технологийг Альфийн орнууд, Япон, Недерландад судалж хэрэгжүүлж эхэлж байна. Гэхдээ энэ туннелийг засварлах, ёроолын хагшаасыг угаахад тохиромжитой гидро-шахалтыг бий болгох нь түвэгтэй, хөрөнгө оруулалт их шаарддаг гэх мэтээс хамаарч тохиромжит тохиолдолд судлагдаж туршигдаж байна.

Лаг зайлуулах байгууламж /desilting facilities/ - Хагшаас дүүрсэн усан санд турбин болон бусад гидравлик машинууд уснаас тусгаарлагдаж лаганд дарагдсан үед хэвийн ажиллагааг бий болгох үүднээс лагийг зайлуулах шаардлагатай. Гидравликийн тунах хурднаас хамаарч хагшаас нь бүдүүнээс нарийн ширхэгрүү сууж лаг бий болох ба түүнийг зайлуулахад эдийн засгийн хэмнэлттэй үр ашигтай байгууламжийг төсөллөж ашиглах хэрэгтэй. 

Барзгаршилтийн асуудал /roughness problem/ - голын голдиролд адраашил гэж нэрлэх ба усны барилгын хувьд барзгаршил нэр илүүтэй тохирно. Туннель болон бага хэвгийтэй дамжуулах барилгад урсгал битүүрэх, хагшаас тунах, бага даралтын бүс үүсэх гэх мэт нь барзгаршилт гэдэг хэмжигдэхүүнтэй шууд холбоотой, гидравликийн үүднээс заавал тодорхойлох судлах ёстой асуудлын нэг юм. Ихэнх гидравлик загварчлалууд гөлгөр хязгаарын нөхцлийг сонгодог нь барзгаршилтын гажилтыг үр дүнд оруулах нь ойлгомжтой. Үл гулсах ба гулсах нөхцлийг тоон аргуудын хувьд бодит болгох нь чухал ажлуудын нэг мөн.

Туннелийн ус авах толгойн хэсэг /Tunnel intakes/ - усан сан ба голоос ирэх орон зайн шилжилт, чөлөөт гадаргуутай урсгалын хананд кавитаци үүсэх эсэх, их даралтат агаар усны холимог бий болох гэх мэт нь мөн л гүйцэт тайлагдаагүй үзэгдлүүд. Туннелийн урсгал ширүүн төлөвт байна гэж үзвэл туннелийн оролт, гаралт, муруйлтын хэсэгт даралтын цохилт болох нь ойлгомжтой. Энэ цохилт нь даралтат хоёр фазат урсгалыг бий болгож түрэлтгүй туннелийн урсгалын ухагдахууныг зөрчих болно.

Унагах шахт /Drop shafts/ - Даралттай эсвэл хурдтай урсгалын үед агаарын эсэргүүцлээр урсгал эмх замбаагүйд шилжиж аэрозаци бий болгож байгууламжид авулыг түргэн учруулдаг. Систем дахь агаарыг зөвхөн хийцийн тохирол болон аэразацийг устгах төхөөрөмжөөр л туух боломжтой. Гэвч ийм төхөөрөмж болон хийц одоогоор бий болоогүй, судлагдаагүй байгаа ба гидравлик загварчлалыг хүрэлцээтэй том физик загвар дээр масштабийн бага нөлөөнд судлах хэрэгцээ байна.

Авах барилгын оролтын хэсэг дахь хуйлрал /vortices at intakes/ - туннел болон бусад хоолойн барилгуудад агаар усны хольц орох нь дээр дурьдсанаас гадна урсгалын тогтворгүйжилт, чичиргээн, зарим газар сорогдолт бий болгоно.

Өндөр хурдтай гаргах барилгууд /high-speed outlets/ - Ихэвчлэн доод хашицад ёроолын ус гаргуурын гаралтын хэсэгт хутгалт /flip backets/ гэж нэрлэгдэх үзэгдэл бий болох ба урсгал агаарт түлхэгдэж, нэгэн зэрэг ёроолыг цохин ойж доод хашицад усыг хутгах үзэгдэл бий болно. Энэ асар хурдтай урсгалд ердийн чөлөөт үсрэлтийн онолыг хэрэглэх боломжгүй.

Шургасан урсгал /submerged flow/ - Бага түрэлттэй усны барилга байгууламж УЦС-д ус халиагуур боолон хаалтны байгууламжид  шугасан урсгал бий болно. Энэ урсгалын үед комплекс урсгалын бүс үүсэх ба агаарын нэвтрэлт /air entrainment/ бий болох, шүргэлтийн бүс үүсэх, хуйлралт, их ба бага даралтын ялгаа гарах, урсгалын хөндийрөлт, чичрэлт гэх мэт үзэгдлүүд нэгэн зэрэг болох боломжтой. Энэ нөхцөлд бодит ажиглалт /in situ/ судалгаа илүү түлхүү хийгдэж байна.

Загасны нүүдлийн байгууламжууд /Fish migration facilities/ - бага их түрэлтэд боомт, усны барилгуудад доод хашицруу загасний нүүдлийг чиглүүлэхэд хүндрэлтэй байдаг. Хүрээлэн буй орчны асуудлаас тустайгаар, цэвэр гидравлик үүднээс загасыг авулгүй нүүдэллэх боломжийг эрж хайх, тохиромжит барилга байгууламж чиглүүлэгчийг барих нь гол зорилго юм. Загас өнгөрүүлэх байгууламж, чиглүүлэгчүүдийг туршиж судалжсаар байна.

Усны барилга дахь физикийн комплекс урсгал тохиолдол бүрт өөр шинжтэй байх учир нэг төрлийн тооцооны аргачлалд захирагдахгүй. Иймд бусдаас ялгаатайгаар масштабт туршилт, тоон шийдлийг нэхдэг юм.

Дүгнэлт

Усны барилга нь усны инженерүүдтэй холбогдсон олон асуудлын томоохон төлөөлөл нь юм. Усны барилга нь усны гачаал, аюулыг багтаагаад одоо буй глобаль сорилтонд хүний бус дэлхийн хэрэгцээг хангахад зориулагдах шинжтэй байна. Усны барилгын сэргэлт ойрын хугацаанд бий болох ба энэ өөрчлөлтөнд бэлэн байх, бэлтгэхийн тулд усны менежер, судлаач инженерүүд өөрийгөө болон мэдлэгээ бэлдэх шаардлагатай байна. Усны барилгын гидравлик тооцоо судалгааны дэвшил намуун урсгалд голлох боловч ширүүн урсгал эсвэл чөлөөт гадаргатай урсгалаас даралтат урсгалын горимд шилжих шилжилтээр хязгаарлагдахгүй. Сүүлийн хоёр сэдвүүд нь залуу инженер, оюутнуудын хувьд “тоглох талбай” нь гэж хэлэхэд хэлстэхгүй. Судалгаа төсөл тооцоонд хосмог загварчлалын хандлага хадгалагдах ба эдгээрт тооцон бодох, масштабт загварчлал, бодит хэмжилт гэх мэт ямар нэгэн байдлаар хослох ба туршилт лабораторт шинэ эрин ирж төсөл тооцооны аргачлал /design manual/ зэрэг нь сонгон шалгаруулалттай /peer-reviewed/ сэтгүүлүүдэд хэвлэгдэж эхлэнэ гэдэгт итгэлтэй байна.