DESIGN AND MODELING

Environmentally oriented design of hydraulic structures taking into account the migration of aquatic organisms, water quality and sediment management in channel systems

Authors

  • Diana D. Silacheva Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337
  • Anna P. Khmelenko Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337
  • Ilya P. Achincev Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337
  • Vladislav L. Balakin Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337
  • Roman A. Kuzmin Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337

How to cite

GOST Silacheva D. D., Khmelenko A. P., Achincev I. P., Balakin V. L., Kuzmin R. A. Environmentally oriented design of hydraulic structures taking into account the migration of aquatic organisms, water quality and sediment management in channel systems // STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY. 2026. Vol. 70. No. 3. P. 166-179.
APA Silacheva, D. D., Khmelenko, A. P., Achincev, I. P., Balakin, V. L. & Kuzmin, R. A. (2026). Environmentally oriented design of hydraulic structures taking into account the migration of aquatic organisms, water quality and sediment management in channel systems. STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY, 70(3), 166-179.

Abstract

The design of hydraulic structures is characterized by a transition to ecologically oriented solutions, in which migratory permeability for aquatic organisms, transformation of water quality, and sediment balance in channel systems are regarded as interconnected components of a single natural-technogenic system. Channel damming creates barriers for anadromous and catadromous fish species, disrupting migration routes to spawning and feeding grounds. Analysis of field data from various designs shows that nature-like bypass channels achieve an average passage efficiency of 61,5%, significantly outperforming vertical-slot fish ladders, which demonstrate 38,7%, with statistically significant differences and a positive correlation between water discharge through the passage and migration success up to a threshold of 3,5% of the total flow. Transformation of hydrochemical parameters in tailwaters manifests in temperature deviations of up to 6.7 degrees Celsius with bottom releases without selective intake, dissolved oxygen deficiency, and gas supersaturation exceeding 127 percent with surface discharges, leading to stress in hydrobionts and gas bubble disease; however, the application of multi-level water intakes, aeration chambers, and cascade aerators reduces these anomalies several-fold, ensuring a water quality index of up to 0.87. Sediment management through flushing releases, bypass tunnels, and combined strategies reduces the retention coefficient from 94,7 to 47,3%, limiting channel incision to 0,29 meters per decade and preserving the granulometric composition of alluvium with an increased proportion of coarse fractions, thereby preventing degradation of floodplain habitats and erosion of structure foundations. Integration of these aspects into a comprehensive ecological efficiency index, with weighting coefficients verified by the analytic hierarchy process, enables evaluation of design alternatives, where the full set of measures achieves a value of 0.83 compared to 0.17 for the baseline scenario without environmental components, revealing synergistic effects and nonlinear dependencies that explain up to 81,2% of the variance through factor analysis. Numerical three-dimensional modeling of turbulent flows based on the Navier-Stokes equations, statistical processing of data from forty-seven sites, and correlation-regression analysis demonstrate that the systemic combination of measures for migration, water quality, and sediments substantially outperforms isolated approaches, contributing to the preservation of biological productivity, morphological stability, and hydrochemical equilibrium in regulated watercourses. This methodological approach opens prospects for quantitatively grounded design adapted to specific hydrological, morphological, and biological conditions and serves as a foundation for minimizing irreversible impacts on river ecosystems in the context of sustainable water management.

Keywords

hydraulic structures ecological design fish migration water quality sediment management

References

Аббоурд Д., Медведский В.А. Управление качеством воды при выращивании рыбы в искусственно созданных заливных конструкциях // Ученые записки учреждения образования Витебская ордена Знак почета государственная академия ветеринарной медицины. 2006. Т. 42. № 2-1. С. 5-7.

Абрамов В.В. Экологические требования при проектировании, строительстве, вводе в эксплуатацию и эксплуатации гидротехнических сооружений // Бизнес, менеджмент и право. 2007. № 2(14). С. 65-73.

Безносов В.Н., Суздалева А.Л., Ковалев С.В. Экологическое сопровождение проектирования и эксплуатации гидротехнических объектов // Гидротехническое строительство. 2009. № 8. С. 56-60.

Васильев О.Ф., Воеводин А.Ф. Математическое моделирование качества воды в системах открытых русел // Динамика сплошной среды. 1975. № 22. С. 73-87.

Козлов Д.В., Румянцев И.С. Экологические проблемы водохранилищ России и конструктивная гидроэкология // Гидротехническое строительство. 1999. № 6. С. 53-54.

Кривицкий С.В. Гидроэкология: улучшение качества воды в водоеме // Экология и промышленность России. 2007. № 7. С. 18-21.

Куранов Н.П. Решение задач водохозяйственного и гидротехнического строительства в России // Водоснабжение и санитарная техника. 2012. № 2. С. 3-5.

Лапшенков В.С., Отверченко Н.К., Мордвинцев М.М. Гидротехнические сооружения в системе водоохранных мероприятий на малых реках // Мелиорация и водное хозяйство. 1995. № 6. С. 25-26.

Лемешев А.И. Оценка влияния водохозяйственных мероприятий на экосистемы водных объектов на стадии проектирования // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. 2005. № 5. С. 12-16.

Михеев Н.Н., Порядин А.Ф., Швецов В.Н., Скирдов И.В., Нечаев А.П., Беляев Н.Н., Паписов В.К. Речной бассейн и экологически безопасное водопользование // Водоснабжение и санитарная техника. 2013. № 3-2. С. 54-59.

Остапеня А.П. Биологические механизмы формирования качества вод в водных экосистемах (некоторые итоги работ НИЛ гидроэкологии) // Вестник Белорусского государственного университета. Серия 2: Химия. Биология. География. 1996. № 3. С. 48-51.

Родионов В.Б., Куприянов В.П., Ковалев С.В. Гидравлические и экологические исследования - основа гидротехнических проектов // Гидротехническое строительство. 2009. № 8. С. 5-9.

Фомичев В.Т., Куликова И.А., Геращенко А.А., Лебедев Д.Н. Обеззараживание природных вод: проблемы и решения // Поволжский экологический вестник. 2004. № 10. С. 132-136.

Шагидуллин Р.Р. Методология эколого-аналитического мониторинга и контроля качества вод водохранилищ // Журнал экологии и промышленной безопасности. 2010. № 3(47). С. 98-99.

Эдельштейн К.К., Белова С.Л., Заславская М.Б., Новикова Е.В. Гидролого-гидрохимические аспекты формирования качества воды в водохранилищах питьевого и рекреационного назначения // Водные ресурсы. 1993. Т. 20. № 5. С. 565-574.

Issue

Section

DESIGN AND MODELING

Metrics

47 views
0 downloads
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata

Similar Articles

1 2 3 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.

Most read articles by the same author(s)