Проектирование пруда и определение режима его работы

Одним из основных элементов оросительной системы является источник орошения, который определяет технические особенности системы и размеры орошаемой площади. Для орошения используют реки в их естественном или зарегулированном состоянии; поверх­ностный местный сток, аккумулируемый в прудах, водохранилищах; подземные воды и др.

Под местным стоком понимают сток временных водотоков, обра­зующихся во время весеннего снеготаяния или выпадения летних ливневых дождей.

Эти водные ресурсы можно задерживать на месте их образования различными агротех­ническими мероприятиями, лесомелиорацией, а также при помощи гидротехнического строительства − создания водохранилищ, прудов, лиманов.

Воду местного стока используют на орошение и обводнение.

1.1. Выбор места створа плотины

При проектировании водохранилищ и прудов на местном стоке большое значение имеет правильно выбранное место под водохрани­лище, так как оно во многом определяет надежность работы всей оросительной системы.

Перед проектированием водоема производится ряд изысканий на местности. Эти изыскания включают: выбор места створа плотины и получение гидрогеологических характеристик ложа будущего водоема (Рис. 1).

Створ плотины выбирается с учетом следующих требований:

1. Плотина должна быть расположена по возможности ближе к потребителю.

2. Плотина должна располагаться в самом узком месте балки, что обеспечит минимум земляных работ.

3. Продольный уклон дна балки в месте устройства пруда не должен превышать 0.005.

4. Грунты в основании и ложе водохранилища должны быть слабо­водопроницаемыми.

5. Высота плотин сельскохозяйственных прудов не должна превы­шать 15 м.

6. Вода должна быть пригодной для орошения, её количество долж­но полностью удовлетворять потребность.

Рис. 1 Карта водосборной площади М 1:50000

Сечение рельефа – 5 метров

- Зона затопления

Площадь водосбора = 20 км²

Место для водоема можно считать пригодным, если ложе и склоны балки сложены водоупорными породами (глинами, суглинками) с коэффициентом фильтрации К_ф = 0.01 м/сутки. Мощность залегания данных пород должна быть не менее 3-4 м.

Если полевые исследования фильтрационных свойств грунта не про- водились, слой фильтрационных потерь принимается равным:

- для водопроницаемых пород (песок, супесь) - 1...2 м/год и более;

- для суглинков – 0.5... 1.0 м/год (2...3 мм/сутки);

- для глинистых грунтов – 0.5 м/год (1...2 мм/сутки).

На основании гидрогеологических изысканий делается заключение о пригодности выбранной балки для устройства на нем водохранилища.

ЗАДАНИЕ: Выбрать место строительства плотины и нанести створ плотины на карту масштаба 1:50 000. Определить высоту и длину плотины. Выделить водосборную площадь пруда и определить её ве­личину.

1.2. Расчет притока воды в пруд

Рассчитать ожидаемый приток воды в пруд от весеннего сне­готаяния можно по формуле:

W = 1000 ·h_с ·F₁, м^³ ;

где h_с - слой весеннего стока при 85%-ной обеспеченности, мм;

F - площадь водосбора, км².

Слой весеннего стока h_с определяется:

h_с = ·К_р, мм;

где - норма весеннего стока;

К_р - модульный коэффициент.

Норма весеннего стока () берется по карте изолиний нор­мы стока для своего района (приложение 1). Если <50 мм, вводится поправочный коэффициент, который выбирается по графику (приложение 2 или 3) в зависимости от величины водосборной пло­щади и нормы весеннего стока.

Например: дляВолжского района = 45 мм. Это меньше 50 мм, следовательно, вводим поправку. При площади водосбора 20 км² поправка будет 1.12 и величина нормы стока с ее учетом составит:

= 45 · 1.12 = 50.4 мм

Модульный коэффициент К_р берется из приложения 4 в зависимос­ти от коэффициента вариации С_V, и расчетной обеспеченности, на которую рассчитывается пруд (для сельскохозяйственных прудов Р = 85%).

Коэффициент вариации весеннего стока показывает размах ко­лебаний значений годового стока относительно нормы стока. Зна­чения его колеблются в зависимости от климатической зоны, степе­ни обводнения территории и т.п. (приложение 1). Для водосборов, площадь которых меньше 100 км², как в нашем случае, полученное по карте значение С_Vумножается на 1.25 для учета местных условий.

В нашем примере: С_V = 0.5, что с учетом местных условий составит:

С_V = 0.5 · 1.25 = 0.6 (С_V определяется с точностью до 0.1).

В нашем примере коэффициенту вариации С„ = 0,6 соответству­ет модульный коэффициент К_р = 0.42 (из приложения 4).

Слой весеннего стока для 85%-ной обеспеченности:

h_с = · К_р = 50.4 ·0.42 = 21 мм

Объем весеннего стока:

W = 1000 · h_с · F₁ = 1000 · 21 · 20 км² = 420000 м³

Именно на этот объем (420000 м³) необходимо рассчитать пруд. Все расчеты сводим в таблицу 1.

Таблица 1.

Расчет притока воды в пруд (район................)

Показатели	Ед. измерения	Расчетные величины
1. Площадь водосбора (F1)	км2	20 км2
2. Норма весеннего стока ()	мм	45 мм
3. Поправочный коэффициент весеннего стока	-	1.12
4. Коэффициент вариации (СV)	-	0.5
5. Расчетная обеспечен­ность (Р)	%	85%
6. Коэффициент вариации с учетом поправки на местные условия 7. Модульный коэффициент (Кр) 8. Слой весеннего стока (hс) 9. Объем весеннего стока	- - мм м3	0.6 0.42 420 тыс.

ЗАДАНИЕ: Вычислить объем весеннего стока согласно выдан­ных данных, все расчеты свести в таблицу 1 курсово­го проекта.

1.3. Определение объемов пруда и режима его работы

Полный объем водохранилища (пруда) определяют как сумму полезного объема (W_{полезн.}), мертвого объема (W_умо) и объема потерь воды на испарение и фильтрацию (W_пот.).

Полезный объем складывается из объемов воды на орошение и водоснабжение.

Сумма полезного объема и объемов потерь воды на испарение и фильтрацию определяется как рабочий объем. Полный объем воды в пруду определяется как сумма объемов отдельных горизонтов воды в нем.

Для этого на план водоема в масштабе 1:5000 или 1:2500 с горизонталями через 1 м (Рис. 2 и 3) наносят ось плотины и определяют все площади, заключенные между осью плотины и каждой горизонталью.

Рис. 2. План участка водоема

М 1:5000

Сечение рельефа – 1 метр

F ₁₅₂ = 32 кл. · 625 м² = 200000 м²

F ₁₅₃ = 49.6 · 625 м² = 31000 м²

F ₁₅₄ = 64 · 625 м² = 40000 м²

F ₁₅₅ = 111 · 625 м² = 69500 м² и т.д. (см. таблицу 2)

Рис. 3. Определение объемов воды в пруду

Объемы по каждому слою равны:

W₁ =

W₂ = и т. д.

Объем последнего слоя, заключенного между последней горизонталью и ложем пруда, получают по формуле:

W_n = 1/3 ·F_n ·h;

где: F₁, F₂, F_n – площади водного зеркала ограниченные горизонталями, м²;

h -глубина воды (сечение горизонталей).

Сумма всех послойно определенных объемов дает общий (полный) объем водохранилища (пруда).

Все вычисления заносим в таблицу 2.

Таблица 2

Определение объема воды в пруду (пример)

Отметка уровня воды у плотины Н, м	Площадь водного зеркала F, м2	Средняя площадь Fср, м2	Высота слоя воды между соседними горизонталями h, м	Объем воды в слое W, м3	Объем воды при соответствующей отметке горизонтали W, тыс. м3
151.1 152.0 153.0 154.0 155..0 156.0 157.0 158.0 159.0 160.0		I = 6667	0.9 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0	Σ = 737500	6.0 31.55 67.10 121.85 201,50 301.85 416.85 556.95 737.50

На основании данных таблицы 2 вычерчивается график зависи­мости объемов воды от глубины наполнения W = f (H) и график зависи­мости площади водного зеркала от глубины наполнения F = f (H) (Рис. 4).

Рис. 4. График зависимости объемов воды и площадей водного зеркала от глубины наполнения пруда

По оси ординат в масштабе 1:100 откладывают отметки уровней воды Н, по оси абсцисс - площади водного зеркала F и объемы W в произвольном масштабе.

На графике отмечаются три нормативных (характерных) уровня:

УМО - уровень мертвого объема;

НПУ - нормальный подпорный уровень;

ФПУ - форсированный {максимальный) подпорный уровень.

Глубина мертвого объема сельскохозяйственного пруда обычно принимается равной 1.5...2 метра. В нашем примере примем 2 м, тогда:

Н_УМО = 151.1 + 2 = 153.1 м

На графике такой отметке соответствует объем 40 тыс. м³, и площадь водного зеркала F_УМО = 31.5 тыс. м².

Отметка нормального подпорного уровня − это отметка, до ко­торой поднимается вода в пруду при его расчетном наполнении. В нашем примере расчетное наполнение − 420 тыс. м³. Такому наполнению соответствует отметка 158.1 м на графике, по которой площадь водного зеркала составит:

F_НПУ = 119.5 тыс. м²

Форсированный подпорный уровень для сельскохозяйственных прудов выбирается на 1 метр выше Н_НПУ. Таким образом, Н_ФПУ = 159.1 м.

Такой отметке на графике соответствует W_ФПУ = 560 тыс. м³ и площадь водного зеркала F_ФПУ = 161 тыс. м².

В нашем примере рабочий объем пруда:

W_раб. = W_полн. – W_УМО = W_НПУ – W_УМО = 420 тыс. м³ – 40 тыс. м³ = 380 тыс. м³

Для определения полезного объема первоначально определяют потери воды на испарение и фильтрацию.

Фильтрационные потери принимаются в зависимости от водопрони­цаемости грунтов, слагающих дно и берега пруда, и определяются как произведение слоя фильтрации на среднюю площадь зеркала пруда.

В нашемпримере, при слабоводопроницаемых грунтах объем потерь воды на фильтрацию составит:

W_ф = м³

Потери на испарение определяются по формуле:

W_исп.= F_исп · h_исп.;

где h_исп - слой потерь на испарение;

h_исп = 0.0018 ·(25 + t)²· (100 – а), мм/месяц;

где t - среднемесячная температура, °С;

а - среднемесячная относительная влажность воздуха, %

В условиях Самарской области слой потерь на испарение составляет приблизительно 0.4 м/год для северных и центральных районов и 0.5 м/год для южных районов.

В нашем примере:

W_исп. = тыс. м³ в год.

Общий объем потерь:

W_потерь = W_ф + W_исп. = 37750 + 30200 = 67950 м³

Полезный объем пруда:

W_{полезн.} = W_раб. – W_потерь = 380000 – 67950 =312050 м³

Таким образом, из пруда для орошения и прочих хозяйственных нужд можно взять 312050 м³ воды в год.

1.4. Оросительная способность водохранилищ

Оросительная способность водохранилищ и прудов определяется делением полезной емкости водохрани­лища на средневзвешенную норму орошения брутто.

F_га =

М _{брутто. ср.} =

где: M₁, М₂...М_n - оросительные нормы нетто культур севооборота м³/га;

α₁; α₂…α_n - доли площади занимаемой культурами в севообо­роте (находится делением площади занимаемой культурой на площадь севооборота, а при услови­ях равновеликих полей - делением числа полей занимаемых культурой на общее число полей се­вооборота);

η_сист. - КПД оросительной системы (можно принять = 0.7).

В нашем примере предполагаем (т.к. пример расчета оросительных норм мы не приводим из-за простоты методики), что ороситель­ные нормы культур пятипольного севооборота составляют:

яровая пшеница - М_ор = 2800 м³/га;

люцерна - М_ор = 4300 м³/га;

озимая пшеница – М_ор = 1600 м³/га

кукуруза - М_ор = 2000 м³/га

при этом люцерна занимает два поля в севообороте.

Тогда:

М_{бр.ср .} = м³/га

F_га = га

Таким образом, из запроектированного пруда можно оросить 73 га.

ЗАДАНИЕ: На плане водоема в масштабе 1:5000 определить полный объем пруда, вычертить график зависимости W = f(Н) и F = f(Н). На графике и плане водохранилища отметить УМО, НПУ и ФПУ.

Рассчитать рабочий, полезный и мертвый объемы пруда, потери воды на испарение и фильтрацию. Определить оросительную способность пруда - водо­хранилища (Оросительные нормы культур севооборота приведены в приложении 7).