Дубенок Н. Н., Шумакова К. Б. Гидротехнические мелиорации сельскохозяйственных и лесных земель
реклама
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ – МСХА имени К.А. ТИМИРЯЗЕВА Н.Н. Дубенок, К.Б. Шумакова, Р.В. Калиниченко ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ МЕЛИОРАЦИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ И ЛЕСНЫХ ЗЕМЕЛЬ Учебное пособие Москва 2018 УДК 631.6(075.8) ББК 40.6я73 Д 79 Рецензенты: д. т. н. М.Ю. Храбров; д. б. н., профессор В.Г. Мамонтов Дубенок, Н. Н. Гидротехнические мелиорации сельскохозяйственных и лесных земель: учебное пособие / Н. Н. Дубенок, К. Б. Шумакова, Р. В. Калиниченко ; Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева. - Москва : РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева, 2018. - 215 с. ISBN 978-5-9675-1716-7 DOI: 10.34677/2018.096 Пособие содержит учебные материалы, предназначенные для освоения студентами курсов «Мелиорация», «Гидротехнические мелиорации» и «Мелиорация земель». В настоящей работе рассматриваются теоретические основы проектирования гидромелиоративных систем и регулирования водного режима почв с учётом требований растений, даются сведения об основных элементах осушительной сети и особенностях их проектирования, а также необходимые расчёты по определению параметров дренажа, открытой регулирующей и проводящей сети. Рассмотрены способы и техника увлажнения осушаемых земель, а также современные способы и техника полива; приводятся примеры расчёта и проектирования оросительной системы при поливе дождеванием газонов и декоративных культур, при орошении сельскохозяйственных культур. Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям «Агрохимия и агропочвоведение», «Экология и природопользование», «Лесное дело», «Землеустройство и кадастры» и «Ландшафтная архитектура». Рекомендовано к изданию методической комиссией факультета почвоведения, агрохимии и экологии (протокол № 11 от 13 ноября 2017 г.). Учебное пособие содержит сведения, необходимые для формирования профессиональных компетенций при подготовке бакалавров по направлениям 35.03.03 «Агрохимия и агропочвоведение», 35.03.04 «Агрономия», 35.03.05 «Садоводство», и рекомендуется Научно-методическим советом по сельскому хозяйству для использования в учебном процессе. УДК 631.6(075.8) ББК 40.6я73 ISBN 978-5-9675-1716-7 2 © Дубенок Н.Н., Шумакова К.Б., Калиниченко Р.В., 2018 © ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 2018 © Издательство РГАУ-МСХА, 2018 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................ 5 ГЛАВА 1. ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ МЕЛИОРАЦИИ, ОСНОВНЫЕ ВИДЫ, ВЛИЯНИЕ НА ПОЧВУ И РАСТЕНИЕ ................................................................................ 7 1.1. Виды гидротехнических мелиораций ............................................................................. 7 1.2. Потребность в мелиорации............................................................................................... 8 1.3. Влияние гидротехнических мелиораций на почву и растение............................... 10 1.4. Требования растений к водному режиму почв……………………………………....11 1.5. Особенности гидролесомелиорации (лесоосушения) ................................................ 14 1.5.1. Состояние лесных земель по переувлажнености……………………………….18 ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГИДРОЛОГИИ ......................................... 17 2.1. Водные ресурсы, круговорот воды в природе ............................................................ 1 7 2.2. Водный баланс территории и его составляющие. Элементы водного режима почв. ........................................................................................................................................... 18 2.3. Гидрологический режим рек ......................................................................................... 22 ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГИДРАВЛИКИ ......................................... 25 3.1. Закон движения жидкости .............................................................................................. 26 3.2. Гидравлические сопротивления и потери напора. ................................................... 27 3.3. Движение воды в напорных трубах. ............................................................................. 28 3.4. Истечение воды из отверстий, насадок, водосливов. ................................................ 29 ГЛАВА 4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОСУШЕНИИ И ОСУШИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ............................................................................................................................. 3 2 4.1. Объекты осушения, типы водного питания, методы и способы осушения ......... 32 4.2. Осушительная система и ее элементы ......................................................................... 34 4.3. Типы осушительных систем и условия их применения .......................................... 37 4.4. Системы двустороннего регулирования водного режима .......................................38 4.5. Способы увлажнения осушаемых земель .................................................................. 38 4.6. Системы водооборотного типа....................................................................................... 45 4.7. Польдерные системы ....................................................................................................... 45 4.8. Норма осушения ............................................................................................................... 47 4.9. Особенности лесоосушительных систем .................................................................... ...49 ГЛАВА 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИДРОМЕЛИОРАТИВНОЙ СИСТЕМЫ .. 55 5.1. Природно-климатические условия района проектирования ................................. 55 5.2. Мелиоративное состояние осушаемого участка ........................................................ 55 5.3. Определение характерных лет и выбор года расчетной обеспеченности ............. 56 5.4. Выбор схемы осушительной системы и проектирование закрытой осушительной сети. ................................................................................................................. 59 5.4.1. Выбор метода и способа осушения ......................................................................... 59 5.4.2. Выбор схемы закрытой гидромелиоративной системы .................................... 60 5.4.3. Проектирование на плане участка осушительной части системы................. 60 5.4.4. Расчет режима осушения ......................................................................................... 66 5.4.5. Глубина заложения дрен .......................................................................................... 68 5.4.6. Расчет притока воды к дрене .................................................................................. 69 5.4.7. Расстояние между дренами ...................................................................................... 69 5.4.8. Гидравлический расчёт элементов осушительной сети .................................... 71 5.4.9. Глубина и вертикальное сопряжение элементов осушительной сети. ........... 74 5.5. Проектирование открытой осушительной сети ......................................................... 77 5.5.1. Проектирование регулирующей сети .................................................................... 79 5.5.2. Проектирование проводящей сети......................................................................... 81 5.5.2.1. Гидрологический расчёт. .................................................................................. 81 5.5.2.2. Гидравлический расчёт открытого канала .................................................. 85 3 5.5.3. Построение продольного профиля ....................................................................... 90 5.6. Гидротехнические сооружения на осушительной системе...................................... 91 ГЛАВА 6. РЕГУЛИРОВАНИЕ ВОДНОГО РЕЖИМА ОСУШАЕМЫХ ЗЕМЕЛЬ .................................................................................................................................. 95 6.1. Расчет динамики влажности почвы. .......................................................................... 95 ГЛАВА 7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОРОСИТЕЛЬНОЙ ЧАСТИ СИСТЕМЫ ... 107 7.1. Выбор источника орошения ....................................................................................... 107 7.2. Выбор площадки под насосную станцию ................................................................ 107 7.3. Оросительная сеть.......................................................................................................... 107 7.4. Выбор типа дождевального устройства .................................................................. .. 108 7.5. Расчет полива дождеванием ........................................................................................ 108 7.6. Гидравлический расчёт напорной оросительной сети .......................................... 111 7.7. Подбор насоса и двигателя для оросительной сети ................................................ 113 7.8. Эксплуатация осушительно-оросительной системы. ............................................. 117 ГЛАВА 8. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬСТВА ГИДРОМЕЛИОРАТИВНОЙ СИСТЕМЫ. ............................... 119 8.1. Объём земляных работ и требуемое количество механизмов для производства строительных ......................................................................................................................... 119 8.2. Культуртехнические работы. ...................................................................................... 120 8.2.1. Стоимость земляных работ, сооружений и материалов. ................................ 120 8.2.2. Стоимость эксплуатации гидромелиоративной системы ............................... 123 ГЛАВА 9. СПОСОБЫ И ТЕХНИКА ПОЛИВА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ И ДЕКОРАТИВНЫХ КУЛЬТУР ...................................................................................... 125 9.1. Дождевание сельскохозяйственных культур .......................................................... 126 9.1.1. Структура и качество дождя ................................................................................ ... ... 128 9.1.2. Оросительная система при дождевании и её элементы ................................... ... .. 130 9.1.3. Классификация дождевальных устройств ................................................................ 131 9.1.4. Расчёт полива дождеванием .............................................................................. .... ..... 134 9.1.5. Шланговый дождеватель ДШ-10 с перемещающимися дождевальными аппаратами ............................................................................................................................ 136 9.1.6. Колесный дождевальный трубопровод «Ока» ..................................................... ....142 9.2. Полив газонов дождеванием ....................................................................................... 146 9.2.1. Расчет полива дождеванием ................................................................................. ... ... 146 9.2.2. Гидравлический расчёт напорной оросительной сети ........................................ 148 9.2.3. Подбор насоса и двигателя для оросительной сети. Выбор типа насоса и расчет его напора ................................................................................................................. 151 9.3. Микродождевание ........................................................................................................ 155 9.4. Капельное орошение .................................................................................................... 157 9.4.1. Схема оросительной сети ...................................................................................... .... .. 158 9.4.2. Характеристики и конструкции капельниц .................................................... ....... 160 9.4.3. Режим орошения ..................................................................................................... .... .. 162 9.4.4. Капельное орошение саженцев плодовых культур ............................................ ....163 9.4.4.1. Схема расположения трубчатых увлажнителей при выращивании плодовых саженцев ............................................................................................................. 163 9.4.4.2. Гидравлический расчёт трубопроводов..................................................... ........ ...... 164 9.5. Внутрипочвенное (подпочвенное) орошение ...........................................................167 9.5.1. Основные элементы систем внутрипочвенного орошения.......................... .... ... 170 9.5.2. Расчет режима орошения ...................................................................................... .... .. 171 9.6. Мелкодисперсное дождевание (аэрозольное увлажнение) . ........................................172 СЛОВАРЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ТЕРМИНОВ .......................................... 175 СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ…………………………………………… 176 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………………………..184 ПРИЛОЖЕНИЯ .185 4 ВВЕДЕНИЕ Данное учебное пособие подготовлено в соответствии с Федеральными образовательными стандартами высшего образования по направлениям подготовки «Лесное дело», «Землеустройство и кадастры» и «Ландшафтная архитектура», учебными программами дисциплины и предназначено для студентов факультета почвоведения, агрохимии и экологии, а также студентов факультета садоводства и ландшафтной архитектуры, изучающих дисциплину «Гидротехнические мелиорации» и «Мелиорация земель». Учебный курс дисциплины «Гидротехнические мелиорации» носит проектно-изыскательский и инженерно-технический характер и предназначен для студентов как агрономических, так и технических специальностей. Целью изучения учебного курса «Гидротехнические мелиорации» является освоение студентами теоретических и практических знаний и приобретение умений и навыков в области основ регулирования водного режима почв в сочетании с соответствующей агротехникой и особенностями агроландшафта, а также методов создания и поддержания оптимальных условий в системе почва ‒ растение ‒ атмосфера для повышения продуктивности, воспроизводства, улучшения видового состава и качества естественных и искусственных насаждений на объектах ландшафтной архитектуры. Задачами курса являются: ● ознакомление с основами гидрологии и гидравлики, необходимыми при проектировании и расчетах гидромелиоративных систем; ● изучение теоретических основ регулирования водного и связанных с ним воздушного, теплового, пищевого, микробиологического и солевого режимов почв; ● изучение требований лесных, декоративных и сельскохозяйственных культур к водному режиму почв при проведении гидротехнических мелиораций; ● изучение основных элементов гидромелиоративных систем и требований, предъявляемых к ним при проектировании; ● изучение особенностей лесоосушительных систем; ● изучение способов и методов создания и поддержания оптимальных условий в системе почва ‒ растение ‒ атмосфера; ● уяснение роли режима орошения и способов его расчета; ● изучение современных ресурсосберегающих способов полива сельскохозяйственных и декоративных культур; ● приобретение навыков решения теоретических и практических задач по курсу дисциплины «Гидротехнические мелиорации». 5 Содержание настоящего учебного пособия составляют: основные сведения о гидротехнических мелиорациях; основы гидрологии и гидравлики; типы осушительных систем и правила проектирования; лесоосушительные системы; требования растений к водному режиму почв и его регулирование на осушаемых и богарных землях; современные способы и техника полива сельскохозяйственных и декоративных культур; проектирование гидромелиоративной системы для лесного и паркового хозяйства. 6 Глава 1. ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ МЕЛИОРАЦИИ, ОСНОВНЫЕ ВИДЫ, ВЛИЯНИЕ НА ПОЧВУ И РАСТЕНИЕ В данной главе рассматриваются сущность и виды мелиораций, подчеркивается важность гидротехнических мелиораций, которые являются решающим фактором в регулировании и управлении водным режимом почв для создания благоприятных условий роста и развития растений. 1.1. Виды гидротехнических мелиораций Гидротехнические мелиорации являются основной и неотъемлемой частью сельскохозяйственных мелиораций, которые представляют собой, по определению основоположника и классика мелиоративной науки А.Н. Костякова, «систему организационно-хозяйственных и технических мероприятий, имеющих задачей коренное улучшение неблагоприятных природных (почвенных, климатических, гидрологических) условий мелиорируемых территорий путем надлежащего изменения и регулирования их водного и, связанного с ним воздушного, пищевого, солевого и теплового режимов в целях успешного хозяйственного освоения и использования этих территорий, прогрессивного повышения плодородия почв, обеспечения высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур, в сочетании с соответствующей системой агротехнических мероприятий» (А.Н. Костяков. Основы мелиораций. М., 1951. С. 17). Существует, как минимум, девять основных разновидностей сельскохозяйственных мелиораций: гидротехнические, агротехнические, биологические, химические, климатические, культуртехнические, рыбохозяйственные, которые могут осуществляться как раздельно, так и совместно в различных сочетаниях в зависимости от конкретных природно-климатических условий территорий, где они осуществляются. Гидротехнические мелиорации обеспечивают регулирование и управление водным режимом почв, главным образом их корнеобитаемого слоя, а иногда и зоны аэрации путем осуществления орошения в зонах недостаточного естественного увлажнения и осушения в зонах избыточного естественного увлажнения. Таким образом, гидротехнические мелиорации отличаются от других видов наиболее мощным воздействием на объект за счет регулирования водного режима почв, от которого, в свою очередь, зависят воздушный, тепловой, микробиологический, пищевой и солевой режимы, определяющие основные факторы роста и развития растений. Применяют следующие виды гидротехнических мелиораций: 7 орошение – в зонах недостаточного и неустойчивого увлажнения для восполнения дефицита влаги в корнеобитаемом слое почве; осушение ‒ в зоне избыточного увлажнения для удаления избытков влаги из активного слоя почвы. В переходных зонах осуществляется двойное регулирование водного режима; обводнение – в безводных и маловодных степных и полупустынных районах для обеспечения водоснабжения населения, а также обводнение лугов, пастбищ; К гидротехническим мелиорациям также относится промывка засоленных земель при проведении мелиорации солонцов и засоленных земель и противоэрозионные гидротехнические мероприятия для предупреждения и борьбы с водной эрозией на склонах и образованием оврагов. Осушение лесов выделяют в отдельный вид ‒ гидролесомелиорацию. Гидролесомелиорация (осушение лесов) ‒ система мероприятий по осушению водного режима переувлажненных земель лесного фонда гидротехническими и биологическими методами, направленными на улучшение их использования. Гидротехнические методы заключаются в строительстве инженерных сооружений, отводящих воду, а биологические ‒ в проведении лесохозяйственных мероприятий, увеличивающих суммарное испарение с осушаемых земель. 1.2. Потребность в мелиорации Потребность в мелиорации определяется наличием на земном шаре больших площадей с неблагоприятными условиями и изменяется по природным либо ландшафтно-географическим зонам. На земном шаре практически нет ни одного участка земли, на котором не требовалось бы проведение гидротехнических мелиораций в тех или иных размерах для успешного ведения сельскохозяйственного производства. На территории России климат более суровый по сравнению со странами Европы и США даже для одних и тех же широт. По условиям ведения сельского хозяйства Россия относится к группе стран с пониженной биологической продуктивностью. Все страны Европы (кроме Норвегии и Финляндии) превосходят Россию по биологической продуктивности. В Нечерноземной зоне болота занимают 114 млн га, площадь переувлажненных земель составляет 224 млн га. В районах с недостаточным естественным увлажнением лимитирующим фактором в повышении урожайности культур является 8 дефицит почвенной влаги, а в регионах с избыточной увлажненностью – дефицит воздуха в почве (аэрация). В связи с этим и возникает необходимость в проведении мелиоративных мероприятий, направленных на регулирование водного режима с помощью соответствующих гидромелиоративных систем, которые позволяют регулировать влажность корнеобитаемого слоя почвы в оптимальном диапазоне в соответствии с требованиями возделываемых культур. Развитие гидротехнических мелиораций, являющихся основой сельскохозяйственных мелиораций, тесно связано с историей развития человечества. Древние цивилизации возникли в условиях теплого субтропического климата в долинах и дельтах рек Нила, Тигра и Евфрата, Аму-Дарьи и СырДарьи, где сельское хозяйство, являющееся источником продовольствия, невозможно без орошения. Развитие цивилизаций сопровождалось развитием орошения. Разрушение оросительных систем по различным причинам приводило к гибели цивилизации. Таким образом, сельскохозяйственные мелиорации возникли в засушливых регионах земного шара более 10000 лет назад до нашей эры. До XIX в. сельскохозяйственные мелиорации развивались стихийно и синхронно ходу климатических условий, площади их то увеличивались в несколько раз, то уменьшались. С XIX в. по настоящее время имеет место планомерный рост площадей, обслуживаемых оросительными или осушительными системами, объясняется это двумя обстоятельствами: ростом народонаселения на земном шаре и недостатком продуктов питания. С начала ХХ в. площадь орошаемых земель в мире возросла более чем в пять раз и в настоящее время составляет немногим более 16% от площади пашни. С орошаемых земель мира ежегодно собирают около 50% сельскохозяйственной продукции и 40% продуктов питания. Наиболее развитые в сельскохозяйственном отношении страны, такие как Голландия, США, Франция, Германия, Италия, Израиль, имеют от 20% до 60% мелиорированных земель от площади пашни. Таблица 1 Площадь мелиорируемых земель в мире и в России Страна На зем- Китай Индия США Франция Англия Россия ном шаре Орошаемая 241,7 54,4 54,8 22,4 2,2 0,1 4,3 площадь, млн га Осушаемая 190 20 3,4 47,5 2,5 4,65 4,8 площадь, млн га 9 1.3. Влияние гидротехнических мелиораций на почву и растение Ведущим и наиболее древним видом мелиорации являются гидротехнические, т.е. орошение и осушение. Это связано с тем, что задачей этого вида мелиорации является регулирование и управление водным режимом почв. Вода же, в свою очередь, – это прекрасный растворитель всех макро- и микроэлементов и, находясь в определенном количестве в почве, влияет как на содержание воздуха, температурный режим, так и на наличие питательных элементов, а также и на микробиологическую активность почвы. Следовательно, регулирование водного режима почв влечет за собой регулирование воздушного, теплового, пищевого и солевого режимов корнеобитаемого слоя почвы, что, в свою очередь, влияет на рост и развитие растений. ВОДА АЭРАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРА Микробиологическая активность о Пищевой режим Оросительная вода, поступая в почву, восполняет недостаток необходимой для растений влаги и вместе с тем благотворно влияет на микроклимат приземного слоя атмосферы, на температуру почвы и растения, на физико-химические и микробиологические процессы в почве, что и приводит в конечном итоге к повышению урожайности сельскохозяйственных культур в 2…5 раз по сравнению с богарным земледелием. Вода является сильным растворителем солей, тем самым значительно влияя на химические процессы, протекающие в почве. Она растворяет как вредные, так и питательные водорастворимые вещества почвы. Это способствует снижению концентрации почвенных растворов и уменьшению количества вредных для орошения солей. Оказывая положительное влияние на почвенные и микроклиматические условия, орошение создает благоприятные условия для развития растений и значительного повышения их урожайности. При орошении более интенсивно и эффективно используется солнечная энергия растениями. В условиях богарного земледелия на фотосинтез обычно расходуется только 1…3% поступающей на землю фотосинтетически активной радиации (ФАР). На орошаемых площадях при оптимальном сочетании факторов жизни растений использование ФАР может достигать 14%, а урожай сельскохозяйственных культур увеличивается в 2…7 раз по сравнению с неорошаемыми землями. 10 Однако при избыточном увлажнении с поливной водой могут вымываться из почвы и питательные вещества. Среди неблагоприятных последствий в случае избыточных поливов может быть также и подъем уровня грунтовых вод, что приводит к засолению почв, осолодению и разрушение почвенных коллоидов. Осушение должно быть направлено только на удаление избытков влаги из почвы, что способствует улучшению аэрации почв, их потеплению, повышению микробиологической активности и улучшению питательного режима. При осушении происходит смена анаэробных процессов почвообразования на аэробные, урожайность сельскохозяйственных культур на осушаемых землях возрастает в 1,5…2 раза. 1.4. Требования растений к водному режиму почв Требования растений к водному режиму почв обусловлены, с одной стороны, их физиологическими особенностями, с другой стороны ‒ воднофизическими свойствами почв. Водный режим почв, как известно, в большой степени влияет на воздушный, тепловой, микробиологический, пищевой и солевой режимы, т.е. на основные факторы плодородия почвы, где находится корневая система растений. Следовательно, необходим анализ динамики водного режима мелиорируемой территории для возможности соответствующего изменения приходных и расходных факторов в целях регулирования водного и связанного с ним пищевого и других режимов в нужном направлении. Приходными статьями водного баланса рассматриваемой территории за период времени являются: атмосферные осадки Р; поверхностные воды S, поступающие на данный массив с соседних территорий; приток грунтовых или фильтрационных вод G; конденсация в почве атмосферной влаги А. К расходным статьям водного режима данного массива относятся: суммарное испарение влаги с данной территории Е, которое складывается из физического испарения с поверхности почв и воды И и транспирации растений Т; сток поверхностных вод с рассматриваемой территории S; отток почвенно-грунтовых вод за пределы данного массива G. Общее уравнение водного баланса рассматриваемого массива за определенный период времени можно представить следующим образом: ∆W = Р – Е + (S + G) – (S +G) , где ∆W – изменение запаса (прибыль или убыль) почвенно-грунтовых и поверхностных вод; Р – осадки; 11 S, S – приток и отток поверхностных вод; G, G – приток и отток грунтовых вод; И – испарение с поверхности почвы; Т – транспирация растений; Е = И + Т – суммарное испарение (водопотребление). Это уравнение показывает общий баланс поверхностных и почвенногрунтовых вод на данной территории, так как запасы и тех и других связаны между собой. В зависимости от слагающих статей водного баланса изменение запаса влаги в почве (∆W) может быть положительным или отрицательным (рис. 1). В условиях избыточного увлажнения, когда приходные факторы водного баланса преобладают над расходными (Р > Е), величина ∆W имеет положительное значение и происходит накопление влаги в почве и соответственно количества грунтовых вод. В условиях недостаточного увлажнения, когда расходные факторы естественного водного режима превышают приходные (Е > Р), величина ∆W имеет отрицательное значение и происходит иссушение верхних слоев почвы и соответствующее снижение запасов грунтовых вод. Если водный режим территории характеризуется наличием избытка влаги в течение вегетации, особенно в ответственные периоды развития растений, что снижает аэрацию почвы, необходимо удаление избытков влаги из почвы путем осушения для обеспечения оптимального водно-воздушного режима в корнеобитаемом слое почвы. Количество отводимой влаги и сроки ее сброса определяются требованиями растений к воде при соответствующей агротехнике и потенциальной влагоёмкостью почвы. Если водный режим данной территории характеризуется наличием дефицита влаги в активном слое почвы в ответственные периоды развития растений, необходимо искусственное восполнение дефицита почвенной влаги до требуемой величины путем орошения, т.е. введения в водный баланс дополнительно приходного фактора. Количество воды, даваемой при орошении, должно соответствовать потребности растений с учетом притока остальных факторов их жизни. Размеры и норма регулирования водного режима территории зависят от требований возделываемых культур к наличию влаги, а также механического состава и состояния почвы. При этом необходимо учитывать, что не вся вода, содержащаяся в почве, доступна растениям. Так называемый «мертвый», т.е. недоступный для растений запас влаги в почве, при котором осмотическое давление почвенного раствора больше сосущей силы растений, равен от полутора до двух максимальной гигро12 скопичности почвы (1,5…2 МГ), что соответствует влажности завядания (ВЗ). Регулируя водный режим почв, при проведении гидротехнической мелиорации следует поддерживать в корнеобитаемом (активном) слое почвы, с одной стороны, необходимое количество для растений влаги и усвояемых питательных элементов, а с другой стороны ‒ определенное содержание воздуха, необходимое для дыхания корней и микробиологической активности почв. Нижняя граница оптимального увлажнения корнеобитаемого слоя почвы для нормального роста растений – важный критерий для разработки режимов орошения. Чем меньше влаги в почве, тем выше её водоудерживающие силы, т.е. сосущая сила почвы. В растения же вода поступает благодаря сосущей силе живых клеток листа, которая определяется наследственностью вида и сорта растений и постоянным насыщением их в результате транспирации и ослабления тургора. ПВ избыток НВ Wmax=100 %НВ optimum Wmin=(60…70)%НВ дефицит ВЗ Рис. 1. Графическое изображение оптимального диапазона регулирования влажности почвы Около 98% воды, поступающей в растение, расходуется на транспирацию, благодаря чему растения регулируют водный режим своих тканей и предохраняют их от перегрева. Нижняя граница оптимальных запасов влаги составляет около Wmin = 0,5(ВЗ + НВ) , либо Wmin = (60…80)% НВ. Избыток влаги в корнеобитаемом слое почвы также неблагоприятно влияет на рост и развитие растений, так как приводит к недостатку воздуха, развитию анаэробных процессов, ухудшению питательного режима, а в теп13 личных условиях – к повышению заболеваемости растений. Для нормального развития корневой системы корнеобитаемый слой почвы должен обладать достаточной воздухопроводностью, чтобы обеспечить газообмен с атмосферой. Объём воздуха в корнеобитаемом слое почвы должен составлять не менее 15…49% объёма пор в зависимости от возделываемой культуры. Это и определяет примерные значения максимально допустимой влажности корнеобитаемого слоя 60…85% пористости, что соответствует 80…100% НВ. При назначении пределов оптимальной влажности почвы целесообразно учитывать не только биологические особенности растений, но и характер почвы, её гранулометрический состав, гидрогеологические условия местности. Кроме того, необходимо учитывать и то обстоятельство, что оптимальная влажность почвы связана с мощностью активного влагооборота, с глубиной промачивания. При меньшей мощности слоя предполивной порог будет выше, и, наоборот, при большей мощности – ниже, поскольку при этом возрастает общий объём усваиваемой влаги. 1.5. Особенности гидролесомелиорации (лесоосушения) История развития сельскохозяйственных гидротехнических мелиораций начинается с глубокой древности, тогда как возраст гидролесомелиораций насчитывает чуть более двух веков. Положительное влияние осушения переувлажненных земель на рост и возобновление леса было выявлено вначале попутно с проведением сельскохозяйственных мелиораций. В Финляндии осушение лесов проводили с XVI в., систематические работы начались с 1910 г. В России к осушению лесных земель приступили на рубеже XVIII‒XIX вв. Осушительные работы в небольших объемах проводили в XVI‒XVII вв., более широкое развитие осушение лесов получило при Петре I, что было связано с освоением побережья Финского залива и строительством Петербурга. Осушение же лесных земель для улучшения условий ведения лесного хозяйства и повышения продуктивности леса началось в 30-х гг. XIX в., однако первые опыты по гидролесомелиорации были подготовлены еще трудами М.В. Ломоносова, А.Т. Болотова, М.И. Афонина, В.А. Левшина и др., которые относят к концу XVIII в. Переувлажнение леса снижает ежегодный прирост древесины, ухудшает её качество, затрудняет эксплуатацию техники, заготовку и вывоз древесины, естественное возобновление леса, ухудшает санитарногигиенические и эстетические условия местности. Осушение устраняет эти неблагоприятные качества, повышает ветроустойчивость леса, особенно елового, сокращает сроки его выращивания, улучшает лесные сенокосы и 14 пастбища, облегчает борьбу с лесными пожарами, повышает доступность лесных угодий. При осушении лесов исходят из того, чтобы осушалось не более 50…60% фонда переувлажненных земель. Срок окупаемости капитальных вложений в мелиорацию на примере Центрального района Нечерноземной зоны составляет 5-6 лет (сосняки). Работы по осушению проводят в основном в лесах I группы, ограниченно – II, а также в районах интенсивных лесозаготовок в лесах III группы. В лесах III и IV групп для осушения используют только проводящую сеть в сочетании с дорожным строительством, противопожарными мероприятиями и лесокультурными работами. Максимальный эффект от осушения наблюдается в лесах I группы, иногда прирост древесины достигает 15…20 м3/га, особенно отзывчивы леса IV и V бонитета. Наивысшие результаты получают в молодняках и жердняках, высокие ‒ в средневозрастных и умеренные ‒ в спелых лесах. На осушенных торфяных почвах с высоким плодородием вырастают сосновые и еловые леса через 20 лет с запасом древесины 150 м3/га, а через 60 лет запас древесины достигает 400 м3/га. 1.5.1. Состояние лесных земель по переувлажненности Согласно данным Государственного лесного реестра, на 01.01.2012 г. общая площадь Лесного фонда составляет 1146,1 млн га, из которых 224,3 млн га находится в переувлажненном состоянии, что составляет 22% от общей площади лесов. Болота занимают 127,8 млн га. Наибольшая заболоченность сосредоточена в Калининградской области (90%), Псковской (51%), Архангельской (45%), Ленинградской (44%), Новгородской (36%). В Западной Сибири и в Новосибирской области – 65%. По данным НИИ лесного хозяйства (Г.Б. Великанов, г. С.-Петербург), лес требует постоянной заботы о его сохранении и возобновлении. Частью этой заботы (кроме защиты от пожаров, вредителей и болезней) должна быть защита от болот и заболачивания. Это должно быть составной частью как при сохранении и умножении леса, так и при лесовосстановлении. Случаев естественного исчезновения болот в зоне тайги (К > 1) не обнаружено. А усиление данного процесса (заболачивания) отмечается, что выражается в активной олиготрофизации болотного процесса, т.е. в абсолютном господстве сфагновых мхов в растительном покрове верховых и даже переходных болот на всем равнинном пространстве умеренного пояса России (Лесной кодекс 2006 г., Сабо Е.Д., 1980). 15 Площадь осушенных лесных земель, млн га 1. Финляндия – 6 2. Швеция ‒ 1,5 3. Норвегия – 0,6 4. Польша – 0,9 5. Великобритания – 0,7 6. Россия – 3,1 Контрольные вопросы 1. Цели и задачи мелиорации. 2. Виды и особенности гидротехнических мелиораций. 3. Какие процессы, протекающие в почве, регулирует водный режим? 4. Особенности гидролесомелиорации. 5. Влияние гидротехнических мелиораций на почву и растение. 6. Чем обусловлены требования растений к водному режиму почв? 7. Чем обусловлена потребность в гидротехнических мелиорациях? 16 Глава 2. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГИДРОЛОГИИ В данной главе рассматриваются основные элементы гидрологии, знание которых необходимо при проведении водобалансовых и гидрологических расчетов для проектирования гидромелиоративных систем. Гидрология (гидро…[гр. Hydΰr – вода] + логия) – наука о водах на поверхности земного шара. Объектом изучения гидрологии является гидросфера, представленная на Земле в виде океанов, морей, рек, озер, болот, ледников, почвенной и грунтовой воды. Гидрология тесно связана с другими науками. При изучении взаимосвязей водного объекта с окружающей средой гидрология использует данные географии, климатологии, метеорологии, геологии, гидрогеологии, геоморфологии. При исследовании движения воды используют законы и методы гидравлики, гидродинамики. В гидрологических расчетах применяются методы теории вероятностей и математической статистики. 2.1. Водные ресурсы, круговорот воды в природе Основной запас воды земного шара находится в Мировом океане, что составляет 96,5% от общего объема (около 1300 млн км3). Наибольшую ценность представляют пресные воды (34,9 млн км3), большая часть которых сосредоточена в ледниках и постоянном снежном покрове. Около 10,5 млн км3 пресной воды (т.е. более 30% общего объема) относится к подземным водам. Под действием солнечной радиации, которая вызывает испарение, и силы земного притяжения вода в природе постоянно совершает круговорот между гидросферой, почвой и атмосферой. В результате испарения с поверхности воды, почвы, снежного покрова, ледников и транспирации растительного покрова водяной пар поступает в атмосферу. Непрерывно протекающие в атмосфере процессы конденсации и сублимации водяного пара приводят к образованию облаков, которые переносятся воздушными массами и являются источниками различного рода осадков. Выделяют два типа влагооборота: большой (мировой) и малый. В большой влагооборот входят обширные пространства, при этом водяной пар, поднявшийся с поверхности океанов, переносится воздушными потоками на материки, там выпадает в виде атмосферных осадков, возвращаясь в океан в виде стока. Малый влагооборот охватывает меньшие пространства и бывает океаническим (водяной пар, образовавшийся при испарении воды с поверхности океанов, возвращается в океан в виде осадков) либо внутриконтинентальным (влага, образующаяся при испарении с поверхности суши, вновь попадает на сушу в виде атмосферных осадков). 17 2.2. Водный баланс территории и его составляющие. Элементы водного режима почв Водный баланс – соотношение прихода и расхода влаги за определенный интервал времени. Как правило, его представляют в виде уравнения, составленного для конкретного участка территории: материка или земного шара в целом, бассейна реки, страны, региона. В данном случае понятие «бассейн» аналогично понятию «площадь водосбора», куда входит часть земной поверхности с почвенной толщей, откуда происходит сток воды в гидрографическую сеть. Со всей поверхности Земли испаряется в год около 577000 км3 воды, и ровно столько же выпадает в год атмосферных осадков, т.е. в целом для всей планеты испарение количественно равно атмосферным осадкам. Однако для суши нашей планеты этого равенства уже не существует, так как с суши в целом испаряется в год 72000 км3 воды, а атмосферных осадков выпадает 119000 км3 . Излишек 47000 км3 в год стекает с суши в океаны как по поверхности земли и далее реками (45000 км3), так и подземными потоками в виде грунтовых вод, которые образуются от просачивания атмосферных осадков в землю (2000 км3) и далее изливаются в реки и океаны. В данном случае будет справедливо равенство P = E + S , где P – атмосферные осадки; E – испарение; S ‒ поверхностный сток. При рассмотрении небольшой части суши, например для мелиорируемой территории, баланс воды будет выглядеть иначе: P=E+S+I, где I ‒ просачивание воды в почву. Влажность почвы определяется прежде всего попаданием воды в почву, т.е., исходя из вышеприведенного уравнения, зависит от трех переменных и потому непостоянна. Следовательно, для оценки водного баланса почвы необходимо рассмотреть все элементы водного баланса. Атмосферные осадки (P) представляют собой воду, которая конденсируется из водяных паров в атмосфере или в порах почвы и выпадает из нее на почву (дождь, снег, туман, иней, град, гололедица, роса). Как правило, влажность года оценивают по осадкам за вегетационный период. На территории России выпадает 11700 км3 осадков. При равномерном распределении по всей территории средний слой осадков составляет 530 мм в год. Действительное же распределение осадков, как по отдельным регионам, так и по месяцам в течение вегетационного периода, характеризуется неравномерностью. Так, в центральных районах европейской части России выпадает 500…600 мм, а в Прикаспийской низменности около 18 100…150 мм. Неравномерность выпадения осадков усугубляется изменчивостью их величин в разные годы. Осадки играют большую роль в заболоченности территорий, хотя и не являются единственной причиной. Известно, что переувлажненные и заболоченные земли находятся в регионах, где годовая сумма осадков превышает испарение. Испарение ‒ это переход влаги из жидкой или твердой фазы в парообразное состояние под действием солнечной радиации, который происходит как с поверхности земли (физическое испарение), так и с листовой поверхности растений (транспирация). Общий расход воды на физическое испарение и транспирацию растений называется эвапотранспирацией, или суммарным испарением. Понятие «испарение» подразумевает расход воды с земной поверхности в конкретных почвенно-климатических условиях. Испарение зависит от большого количества факторов (приход солнечной радиации, температура воздуха, количество осадков, влажность воздуха, влажность почвы, тип почвы и ее мехсостав, экспозиция склона, характер растительности и т.д.). «Испаряемость» ‒ это максимально возможное испарение при неограниченном поступлении влаги к испаряющей поверхности. Как правило, испаряемость определяют по величине испарения с водной поверхности. Среднегодовая величина испарения значительно колеблется по природно-климатическим зонам ‒ от 100…200 мм в северных районах до 1000 мм и более на юге. В течение года испарение также меняется, достигая максимальной величины летом, снижаясь осенью и достигая минимума зимой. Так, по данным А.Р. Константинова, в Вологде в июле испарение составляет 84 мм, а в октябре ‒ 21 мм. В зимние месяцы испарение не превышает 5…8 мм в месяц. В соответствии с приходом влаги и расходом на испарение и учетом эффективности использования осадков академик А.Н. Костяков разделил европейскую территорию России на зоны различной обеспеченности влагой по коэффициенту увлажнения Ку = Р/Е , где Р – осадки; Е – испарение. В зоне избыточного увлажнения Ку > 1, в зоне неустойчивого увлажнения Ку = 1, т.е. величина осадков примерно равна испарению и в зоне недостаточного увлажнения Ку < 1. Отсюда потребность в проведении гидротехнических мелиораций меняется в соответствии с природно-климатическими зонами. Сток – это движение воды по поверхности земли и в толще почвы в процессе круговорота воды в природе. В зависимости от условий и места прохождения сток разделяют на поверхностный, склоновый, почвенный, а также русловой и речной, приуроченный к речной сети. 19 Факторы, определяющие сток, зависят от множества природных и антропогенных факторов, к ним относятся: величина и форма водосборной площади; климат; гидрология и геоморфология; озерность и заболоченность территории, наличие водохранилищ и, конечно же, характер растительного покрова. Особую регулирующую роль в формировании стока играют лесные сообщества, где лесная подстилка, обладая высокой аккумулирующей и фильтрационной способностью, переводит поверхностный сток в почвенный. Характеристика стока. Сток характеризуется объемом, модулем, коэффициентом и слоем стока. Объем стока W ‒ это объем воды, стекающей с водосборной площади за определенный период времени (сутки, месяц, год…): W = Q · t, (1) 3 где Q ‒ средний расход воды в м /с, определяемый по расходу воды в водотоке; t – время расчетного периода. Модуль стока q – количество воды, стекающей с единицы площади водосбора в единицу времени, л/с с 1 га, либо м3/с с 1 км3: q= Q F , (2) где q – модуль стока; Q – расход воды в водотоке, л/с; F – площадь водосбора, га. Слой стока hs ‒ количество воды, стекающее с водосборной площади за определенный период времени, равномерно распределенное по площади этого водосбора, которое определяется по формуле в мм слоя: W , 10 F hs = (3) где W – объем стока, м3; F ‒ площадь водосбора, га. Коэффициент стока δ – это отношение величины слоя стока к количеству выпавших на водосборную площадь осадков, обусловившее сток: δ= h s P , (4) где hs – слой стока; Р ‒ величина осадков. Средняя многолетняя величина стока называется нормой стока. Итак, водный режим почв определяется соотношением приходных и расходных статей водного баланса, которые подробно были рассмотрены выше. Приходными статьями водного баланса (рис. 1) рассматриваемой территории за период времени являются: атмосферные осадки Р; поверхностные воды S, поступающие на данный массив с соседних 20 территорий; приток грунтовых или фильтрационных вод G; конденсация в почве атмосферной влаги А. К расходным статьям водного режима данного массива относятся: сумммарное испарение влаги с данной территории Е, которое складывается из физического испарения с поверхности почв и воды И и транспирации растений Т; сток поверхностных вод с рассматриваемой территории S; отток почвенно-грунтовых вод за пределы данного массива G. Общее уравнение водного баланса рассматриваемого массива за определенный период времени можно представить следующим образом: ∆W = Р – Е + (S + G ) ‒ (S + G) , (5) P И Т A S S _ G G ∇УГВ Рис. 2. Основные факторы водного баланса где ∆W – изменение запаса (прибыль или убыль) почвенно-грунтовых и поверхностных вод; Р – осадки; S, S – приток и отток поверхностных вод; G, G – приток и отток грунтовых вод; И – испарение с поверхности почвы; Т – транспирация растений; Е = И + Т – суммарное испарение (водопотребление). Это уравнение показывает общий баланс поверхностных и почвенногрунтовых вод на данной территории, так как запасы и тех и других связаны между собой. В зависимости от слагающих статей водного баланса изменение запаса влаги в почве (∆W) может быть положительным или отрицательным. В условиях избыточного увлажнения, когда приходные факторы водного баланса преобладают над расходными (Р > Е), величина ∆W имеет положительное значение и происходит накопление влаги в почве и соответственно количества грунтовых вод. 21 В условиях недостаточного увлажнения, когда расходные факторы естественного водного режима превышают приходные (Е > Р), величина ∆W имеет отрицательное значение и происходит иссушение верхних слоев почвы и соответствующее снижение запасов грунтовых вод. Если водный режим территории характеризуется наличием избытка влаги в течение вегетации, особенно в ответственные периоды развития растений, что снижает аэрацию почвы, необходимо удаление избытков влаги из почвы путем осушения для обеспечения оптимального водно-воздушного режима в корнеобитаемом слое почвы. Количество отводимой влаги и сроки её сброса определяются требованиями растений к воде при соответствующей агротехнике и потенциальной влагоёмкостью почвы. Если водный режим данной территории характеризуется наличием дефицита влаги в активном слое почвы в ответственные периоды развития растений, необходимо искусственное восполнение дефицита почвенной влаги до требуемой величины путем орошения, т.е. введения в водный баланс дополнительно приходного фактора. Количество воды, даваемой при орошении, должно соответствовать потребности растений с учетом притока остальных факторов их жизни. 2.3. Гидрологический режим рек От состояния реки, как правило, зависит степень увлажнения прилегающих территорий. Часто реки служат как водоприемниками для осушительных систем, так и источниками для орошения и водоснабжения. Гидрологический режим рек представляет собой совокупность закономерно повторяющихся изменений состояния реки, присущей ей и отличающих ее от других водных объектов. Основными характеристиками режима являются уровень, скорость и расход воды. Объем воды, поступающей в реки (который обусловлен круговоротом воды в природе), так же как и объем годового стока, значительно отличается по годам. При этом каждый год отмечаются характерные периоды режима рек, связанные с условиями водного питания, повторяющиеся в определенные сезоны, которые называются фазой водного режима реки. К основным фазам относятся: половодье, паводок, межень летняя и зимняя. Половодье – фаза водного режима реки, ежегодно повторяющаяся в данных климатических условиях в один и тот же сезон, характеризуется наибольшей водностью, высоким и продолжительным подъемом уровня воды и вызывается снеготаянием либо совместным таянием снега и ледников. Паводок – фаза водного режима, может повторяться несколько раз в различные сезоны года, вызывается дождями или снеготаянием во время от22 тепелей и характеризуется кратковременным увеличением расходов и уровней воды. Межень ‒ фаза водного режима, которая ежегодно повторяется в одни и те же сезоны, характеризуется малой водностью, длительным стоянием низких уровней воды в результате сокращения водного питания реки, которое случается летом и зимой. По характеру распределения внутригодового стока реки делятся на три основных типа: 1) реки с преобладающим весенним половодьем (большая часть климатических зон); 2) реки с весенним половодьем и летними паводками (в предгорьях Кавказа, Карпат); 3) реки с преобладающими летними паводками (в высокогорьях и на Дальнем Востоке). Такой анализ важен и для гидрологических расчетов в бассейне тех рек, где ведется мелиоративное строительство. Очевидно, режим рек динамичен, и в каждый конкретный период он определяется климатическими и погодными условиями. Обычно для гидрологической характеристики рек определяют нормы стока, т.е. среднемноголетние значения модуля стока в рассматриваемом пункте, которые характеризуют конкретный период года. Поэтому говорят о нормах стока в период пика паводка, на спаде паводка, в предпосевной период, в период летне-осенней межени и т.д. Нормы стока обычно составляют на основе исследования расходов водотоков (ручьев, рек) в многолетнем ряду. Для получения таких данных в границах водосбора с известной площадью на реке организуют гидрологический пост. В створе этого поста ведутся непрерывные (обычно ежесуточные) наблюдения за расходами воды в водотоке. Зная расход воды Q (м3, л) в единицу времени t и площадь водосбора F (га, км2, м2), нетрудно определить норму (модуль) стока для данного бассейна на интересующий нас период: q= Q , Ft (6) где Q ‒ расход воды в водотоке в единицу времени; F ‒ площадь водосбора; t ‒ время наблюдений. Динамику изменения объемов и модулей стока, в частности объемов и модулей стока рек, закономерности прохождения пиков паводка и состояние межени характеризуют гидрографы рек (рис. 3). 23 Рис. 3. Объемы и модули речного стока в различных областях Нечернозёмной зоны: 1 ‒ температура воздуха; 2 ‒ осадки; 3 ‒ испаряемость, мм; 4 ‒ объемы местного стока, % от объема годового стока; 5 ‒ модули стока, л/скм2 Контрольные вопросы 1. Цели и задачи гидрологии. 2. Перечислите приходные и расходные статьи водного баланса. 3. Сток и его характеристика. 4. Что такое испарение и испаряемость? 5. Перечислите фазы водного режима рек. 6. Что называется меженью и половодьем? 24 Глава 3. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГИДРАВЛИКИ В данной главе приводятся сведения об основах гидравлики, знания которых необходимы при различных гидравлических расчетах, проводимых при проектировании осушительных и оросительных систем, включающих каналы, трубопроводы, фонтаны. Гидравлика ‒ наука, изучающая закономерности равновесия и движения жидкостей, на которых основано решение инженерных и гидрологических задач, а также расчеты каналов, гидротехнических сооружений. Раздел гидравлики, рассматривающий законы равновесия жидкости и её взаимодействие с твердыми телами, называется гидростатикой. Гидростатическое давление – предел давления жидкости на единицу площади, стремящийся к 0. Гидростатическое давление действует во всех направлениях одинаково. Изменение давления в покоящейся жидкости передается одинаково во все точки занятого жидкостью пространства (закон Паскаля). Давление воды на плоское горизонтальное дно сосуда без учета атмосферного давления равно P = f hɣ , (7) где ‒ площадь дна; h ‒ глубина воды; – удельная масса воды; P ‒ давление на дно сосуда. Полное (абсолютное) гидростатическое давление Ро в любой точке покоящейся жидкости складывается из веса столба жидкости над данной точкой и внешнего давления на поверхность жидкости Рв , т.е. Ро = Рв + ρgh , (8) где h ‒ глубина погружения точки, для которой определяется давление; g – ускорение свободного падения; ρ – плотность жидкости. Нормальное атмосферное давление равно столбу жидкости h = 10,8 м. В системе СИ единицей измерения давления является паскаль (Па), при этом атмосферное давление = 98000 Па ≈ 100000 Па ≈ 100 КПа. Рис. 4. Иллюстрация формирования пьезометрического напора, где h ‒ пьезометрический (гидростатический) напор 25 3.1. Закон движения жидкости Гидродинамика изучает законы движения жидкости. Для гидромелиорации это основной раздел гидравлики, который позволяет определять скорости и сопротивления движению потока. По характеру скорости и количеству расхода воды движение воды делят на установившееся и неустановившееся. Установившееся – при котором скорости, расход и давление во всех точках потока постоянны за рассматриваемый промежуток времени (например, движение воды в реках при постоянном уровне воды). Неустановившееся – такое движение, при котором в пределах рассматриваемого периода времени меняются и скорость, и расход воды (в реках во время паводка и при проведении сбросов). Установившееся движение по характеру перемещения воды делят на: 1. Равномерное движение воды – при котором форма и площадь поперечного сечения, а также средние скорости и скорости во всех точках потока по длине одинаковы. 2. Неравномерное движение воды – при этом изменяются площадь поперечного сечения, глубина и скорости потока по длине. По характеру режима движение воды подразделяется на ламинарное и турбулентное. Ламинарное – движение воды без перемешивания струй преимущественно в вертикальном направлении (движение грунтовых вод или в капиллярных трубках). Турбулентное – характеризуется перемешиванием частиц воды, которые кроме поступательного движения с высокими скоростями имеют и вращательное движение (такой режим в трубах, реках, каналах). Движение жидкости может быть напорным и безнапорным. Безнапорное движение происходит под действием сил тяжести. Поверхность потока не ограничена (реки, каналы, трубы). Напорное движение происходит под действием давления (напора), созданного насосами, водонапорными башнями и т.д. Движение воды описывается уравнением Бернулли. Z1 + P1 γ + αV 2 2g = Z2 + P2 γ + αV 2 2g + h0 , (9) где Z1 и Z2 – геометрическая высота центров тяжести потока в сечениях I и II; Р1 и Р2 ‒ гидростатическое давление; ‒ удельная масса воды; v1 и v2 ‒ скорости движения воды; α – поправочный коэффициент на среднюю скорость потока; h0 – потери напора. 26 Рис. 5. Схема к уравнению Бернулли К гидравлическим характеристикам потока относится живое сечение, смоченный периметр, гидравлический радиус. Живое сечение ( ) – это поперечное сечение потока, направленное перпендикулярно его движению. Смоченный периметр (χ) – линия, по которой поток воды соприкасается с руслом (дном реки либо стенкой искусственного русла), направленная перпендикулярно потоку. Гидравлический радиус (R) определяется как отношение живого сечения к смоченному периметру: . (10) 3.2. Гидравлические сопротивления и потери напора При движении жидкости в трубах, каналах, лотках и т.д. возникают потери напора в результате затрат энергии потока на преодоление сопротивления движению. Гидравлические сопротивления делят на сопротивления по длине потока (ht ), вызванные силами трения при соприкосновении жидкости со стенками русла, и местные сопротивления (hm ). Сопротивления по длине потока зависят от длины потока и шероховатости русла. Местные сопротивления обусловлены различными препятствиями течению воды (повороты, сужение или расширение русла). В результате общие потери напора будут складываться из суммы потерь напора на трение по длине и местных сопротивлений: (11) h = ht +hm . В общем виде любые потери напора можно определить по формуле Вейсбаха: 27 V2 , hт = β т 2g (12) где βm ‒ коэффициент, учитывающий долю скоростного напора, потраченного на преодоление данного сопротивления; V – скорость движения потока. Формула Шези, имеющая большое практическое применение для определения расходов воды, размеров проводящих каналов, имеет следующий вид: V = C Ri (13) , где С – скоростной коэффициент, зависящий от материала труб либо шероховатости русла, который можно определить по формуле Н.Н. Павловского. 1 (14) C = Ry , n где n – коэффициент шероховатости русла; R – гидравлический радиус; y – переменный показатель степени, определяемый по формуле y = 2,5 n − 0,13 − 0,75 R ( n − 0,1) . (15) Формула И.И. Агроскина 1 C = 17,72 lg R. n (16) 3.3. Движение воды в напорных трубах Напорное движение воды в трубах характеризуется тем, что при этом все поперечное сечение заполнено водой (водопровод, дождевальные трубопроводы, фонтаны). Напор может создаваться насосом либо высоким расположением водоисточника. При движении воды по трубам происходят потери напора h. Общий напор H затрачивается на преодоление сопротивлений по длине ht и местных сопротивлений hт и на входе, и на выходе. При истечении в атмосферу за счет остаточного напора hост создается скорость при выходе из трубы H = hт + hм + hост . (17) При равномерном движении жидкости потери напора по длине и на местные сопротивления рассмотрены в 3.2. При напорном движении воды по трубам потери напора по длине определяются по следующей формуле: hт = λ V2 l ⋅ . 2g d 28 (18) Потери напора на местные сопротивления v2 , hm = ξ m 2g (19) где λ – коэффициент, зависящий от материала труб; l – длина трубы, м; d ‒ диаметр труб, м. Значения коэффициента местных потерь ξm зависят от формы входного отверстия и имеются в справочниках. Так, например, при входе в трубу без закругления кромки ξm = 0,50, с плавным очертанием входа ξm = 0,05…0,1. 3.4. Истечение воды из отверстий, насадок, водосливов Такое движение воды, как истечение из различного рода отверстий, насадок, водосливов, встречается при устройстве шлюзов, дюкеров, трубопереездов, расчете фонтанов и т.д. Вытекающая струя может выходить в атмосферу или поступать под уровень жидкости, при этом на выходе струи происходит ее сжатие и уменьшение живого сечения. Сжатие характеризуется коэффициентом сжатия ε : ω , ε= ωо (20) где ω ‒ сжатое живое сечение; ωо ‒ площадь отверстия. При постоянном напоре Н скорость течения воды можно определить по формуле Торричелли: (21) V = 2gH , где Н ‒ напор над центром отверстия, м; g ‒ ускорение свободного падения, м/с2. При сжатии струи происходят потери напора Н и снижение скорости V, поэтому вводят скорости ϕ . Расход воды, вытекающей через отверстие, определится по формуле Q = V ⋅ω = εϕ ⋅ω 2gH . (22) Коэффициенты сжатия ε и скорости ϕ , которые определяют Q, можно заменить коэффициентом расхода µ , следовательно, Q = V ⋅ω = µω 2gH . (23) В среднем μ = 0,6…0,62. Если отверстие затоплено и истечение происходит под уровень, то в последней формуле вместо Н будет разность уровней Z перед и за отверстием. 29 При истечении воды из насадков (насадок – это короткая труба, присоединенная к отверстию) происходит изменение пропускной способности отверстий Q. Насадки бывают цилиндрические, коноидальные (сходящиеся, расходящиеся). По условиям работы насадки могут быть затопленными и незатопленными. Расход воды Q при истечении через насадок и скорость вытекания воды V определяют по предыдущим формулам 21 и 22. Коэффициенты расходов будут меняться в соответствии с видом насадков: µ = 0,82 ‒ для цилиндрических насадков, µ = 0,92...0,86 ‒ для конических и µ = 0,97...0,98 ‒ для коноидальных. a b c d Рис. 6. Типы насадков: а ‒ цилиндрический; b ‒ конический сходящийся; c – конический расходящийся; d – коноидальный Конические насадки дают сплошную струю с высокой скоростью, поэтому они получили широкое распространение, их используют для фонтанов и дождевальных устройств. Течение воды через водосливы. Водослив – это установленная на пути движения водного потока преграда, через которую переливается вода. Преграда может быть сплошной или с вырезом в ней разной формы. Водосливы часто применяются в качестве подпорных плотинных устройств гидрометрических сооружений для определения расходов воды Q, шлюзов регуляторов, водосборных сооружений при плотинах и пр. Рис. 7. Виды водосливов 30 Порог водослива – это участок водосливного сооружения, где происходит перелив воды. Слой воды над порогом водослива образует напор Н – превышение над порогом, его измеряют на расстоянии 3…5 Н от порога. Величина с (рис. 7а) – ширина порога водослива. Пороги различают по форме и толщине (толщине стенки). При C ≤ 0,5H ‒ водослив с тонкой стенкой, при C ≥ 2,0 H ‒ с широким порогом. Пропускная способность Q водослива зависит от уровня воды в нижнем бьефе. У незатопленных водосливов уровень воды в нижнем бьефе ниже порога водослива и потому не влияет на расход воды через водослив. У затопленных – уровень воды нижнего бьефа располагается выше порога водослива и тем самым снижает расход Q. Расход воды через водослив определяют по формуле 3 Q = µo bH H , м /с, (24) где b – ширина порога, м; µ ‒ модуль расхода воды, для незатопленных водосливов = 1,95; Н – величина напора воды, м. Через прямоугольный водослив расход воды определяется по следующей формуле: Q = mb 2gH 3 2 , где m – коэффициент расхода = 0,38…0,39. (25) Контрольные вопросы 1. Наука гидравлика и ее основные разделы. 2. Гидравлическая характеристика потока. 3. Чем характеризуется установившееся и неустановившееся движение жидкости? 4. Что такое ламинарное и турбулентное движение? 5. Из чего складываются потери напора? 31 Глава 4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОСУШЕНИИ И ОСУШИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ В данной главе рассматриваются типы водного питания, соответствующие им методы и способы осушения, требования растений к водному режиму при осушении, типы осушительных систем и правила их проектирования. Особое внимание уделяется системам двустороннего регулирования водного режима. 4.1. Объекты осушения, типы водного питания, методы и способы осушения Объектами осушения по А.Н. Костякову являются болота, заболоченные и переувлажненные минеральные почвы. Болото – это обособленный участок поверхности земли с постоянным избыточным увлажнением, типичной гидрофильной растительностью и слоем торфа более 30 см в неосушенном состоянии. В зависимости от рельефа местности, стадии образования болота, водного питания и растительного покрова различают верховые, переходные и низинные болота. Заболоченные земли – постоянно избыточно увлажненные участки с минеральными почвами и мощностью торфа в неосушенном состоянии менее 25 см. Переувлажненные земли – это участки с периодически переувлажненными минеральными почвами. Временно избыточно увлажненные почвы распространены на участках со слабовыраженным рельефом местности, где под пахотным слоем или на небольшой глубине от него залегает слабоводопроницаемый горизонт. При выборе метода осушения определяющими факторами являются: типы водного питания, водопроницаемость почвогрунтов и сельскохозяйственное использование заболоченной площади. Для Нечерноземной зоны России А.Д. Брудастов выделил следующие основные типы водного питания болот и заболоченных земель: атмосферный тип водного питания ‒ встречается на болотах и суглинистых почвах, расположенных на водораздельном плато; грунтовый ‒ может быть в пределах грунтового бассейна и на склоне в местах выхода грунтовых вод; грунтово-напорный ‒ распространен преимущественно в притеррасной части поймы реки; намывной (аллювиальный и делювиальный) ‒ встречается в поймах рек (аллювиальный) и в нижних частях склонов (делювиальный). На одной и той же площади, как правило, встречаются 2…3 типа водного питания. В зависимости от преобладающего типа водного питания устанавли32 вают методы осушения и разрабатывают наиболее рациональные схемы осушительной системы (табл. 2). Таблица 2 Методы и способы осушения соответственно типам водного питания Тип водного питания Метод осушения Ускорение поверхностного стока и оттока воды из пахотного горизонта Способ осушения 1. Открытая сеть. 2. Открытая сеть + агромеАтмосферный лиоративные мероприятия. 3. Закрытые собиратели Понижение уровня грунтовых 1. Редкие глубокие каналы, Грунтовый: вод открытые осушители. - грунтовый бассейн; 2. Закрытый горизонтальный - грунтовый поток дренаж Грунтово-напорный: Понижение пьезометрическо- 1. Вертикальный или комби- сосредоточенный выход го уровня грунтовых вод нированный дренаж. грунтовых вод; 2. Ловчие дрены - пластовое питание Ограждение осушаемой плоНагорные каналы щади от притока поверхностДелювиальный ных вод со склона Ограждение осушаемой пло1. Обвалование осушаемой щади от затопления паводко- площади. Аллювиальный выми водами 2. Береговые или ловчие дрены С учетом типов водного питания определены три метода осушения: ускорение стока воды с поверхности почвы, понижение уровня грунтовых вод и ограждение осушаемой площади от затопления ее водами, стекающими с прилегающего склона или от разлива реки. Способы осушения зависят от методов осушения и сельскохозяйственного использования осушаемой территории (табл. 2). Для ускорения стока поверхностных вод с участков, имеющих глинистые и суглинистые почвы, применяют сеть частых каналов или редких каналов в сочетании с комплексом агромелиоративных мероприятий. Уровни грунтовых вод понижают с помощью закрытого горизонтального керамического, деревянного или пластмассового дренажа. На участках грунтово-напорного водного питания рекомендуется строить сеть скважин или горизонтальный дренаж. Для ограждения осушаемой площади от притока со склона поверхностных вод строят нагорные каналы, а для перехвата грунтовых вод ‒ ловчие каналы. Для ограждения осушаемой площади от длительного затопления паводковыми водами рекомендуется устраивать оградительные валы. Ловчие дрены применяют для перехвата грунтового потока со стороны склона, обвалованного русла реки и наливных водоемов. 33 4.2. Осушительная система и ее элементы Под осушительной системой понимают совокупность мелиоративных каналов, трубопроводов и дрен, гидротехнических сооружений и других устройств, которые позволяют создавать благоприятный водный режим для роста и развития сельскохозяйственных культур на осушаемой площади. В состав осушительной системы (рис. 10) сельскохозяйственного назначения входят: осушаемая территория; водоприемник; осушительная сеть, состоящая из ограждающей, проводящей и регулирующей сети (открытых каналов и закрытых дрен); проводящая и регулирующая оросительная сети; защитные дамбы обвалования; насосные станции для осушения и орошения; водохранилища; гидротехнические сооружения, обеспечивающие управление водой на осушаемом массиве; эксплуатационные устройства (береговая обстановка, гидрометрические посты, скважины для наблюдения за уровнем грунтовых вод, здания, постройки, средства связи); различные устройства на водоприемнике и крупных осушительных каналах для бытовых нужд (переходные мосты, скотопрогоны, водопои, места для мочки льна); дороги на осушаемой площади для эксплуатационных и сельскохозяйственных целей с сооружениями на них; эксплуатационное оборудование (приборы для замера расходов и уровней воды и геодезические инструменты); мастерские, машины и орудия для ремонта каналов и сооружений. Осушаемая территория предназначена для использования под сельскохозяйственные и лесные угодья, торфоразработки, строительные площадки, бытовые и спортивные объекты, парки и т.д. Водоприемниками осушительных систем могут быть реки, ручьи, озера, водохранилища, овраги, которые обеспечивают приём избыточной воды со всей осушаемой площади. Проводящая осушительная сеть предназначена для приема воды из регулирующей сети и отвода её в водоприемник, а также для подвода её в засушливые периоды для увлажнения почвы. Она состоит из магистральных и тальвеговых каналов, транспортирующих воду в водоприемник, и коллекторов закрытой дренажной сети. После водоприемника магистральный канал первого порядка является вторым, наиболее важным элементом осушительной системы. От его размеров и технического состояния зависит успех работы всех впадающих в него каналов (табл. 3). Транспортирующие собиратели в плане располагают по границам полей севооборота или севооборотных участков, длина их должна быть не более 2,5 км, а расстояние между ними не менее 400 м. 34 Уклон дна транспортирующего собирателя принимают с учётом грунтов, но не менее 0,0003. Закрытые коллекторы впадают в магистральные каналы второго и третьего порядков или в водоприемник под прямым или острым углом. Коллекторы строят из керамических, асбестоцементных или пластмассовых труб. Вода в них движется со скоростью 0,3…1,2 м/с. Чем больше скорость течения воды, тем меньше должен быть диаметр коллекторных труб, поэтому их располагают по наибольшему уклону местности. Длину коллекторов принимают 250…1200 м. Предельная их длина 600 м на безуклонных участках и 1200 м при больших уклонах. Таблица 3 Глубина и заложение откосов магистральных, ловчих и нагорных каналов трапецеидальной формы Горизонт Глубина, м Торф малоразложившийся (до 35%) Торф среднеразложившийся (до 35%) Торф сильноразложившийся (до 35%) Глины, тяжёлые суглинки Супеси Песок мелкозернистый Песок крупнозернистый 1,2…2,0 Коэффициент заложения откосов каналов магистральных и ловнагорных чих 1,25…1,50 1,0…1,25 1,2…2,0 1,5…1,75 1,25…1,50 1,2…2,5 1,5…2,0 1,25…1,50 1,0…2,0 1,1…2,0 1,2…2,0 1,2…2,0 1,0…1,5 1,5…2,0 2,0…2,5 1,5…2,0 1,0…1,50 1,5…1,75 1,5…2,5 1,5…2,0 К регулирующей осушительной сети относятся открытые осушители (каналы), закрытые дрены, собиратели и комплекс агромелиоративных приёмов. В закрытых осушительных системах регулирующая сеть состоит из дрен и закрытых собирателей. Дрены и закрытые собиратели – это трубчатые подземные водоводы, у которых имеются отверстия для приема воды из почвы. Керамические трубы укладывают вплотную так, чтобы зазор между ними был не более 1…2 мм или соединяют их специальными пластмассовыми муфтами. В пластмассовых трубах для приема воды из почвы имеется перфорация по всей длине, т.е. круглые отверстия. Чтобы исключить заиление и увеличить приёмную поверхность дренажных труб, отверстия в них закрывают слоем фильтрующего материала: мхом, стеклорогожей или стеклохолстом и др. Дрены закладывают в наиболее водопроницаемый слой по почвенному разрезу. Среднюю минимальную глубину их заложения принимают в минеральных грунтах 1 м, а в торфяниках после осадки торфяной залежи 1,1 м. Если слой торфяника больше глубины заложения дрен, то керамические 35 трубы укладывают на деревянные стеллажи или применяют дощатые трубы. В плане дрены следует располагать под углом к горизонталям местности, с тем чтобы глубина заложения их по всей длине была одинаковой. На безуклонных участках дренам придают искусственный уклон 0,002…0,003. В этом случае глубина их в истоке должна быть не менее 0,7 м. Если позволяет уклон местности, то дрены подсоединяют к коллекторам с двух сторон, а в вертикальной плоскости – внахлестку, т.е. дно дрены выводят на уровень верха коллекторной трубы. Сопряжение дрен с коллектором в плане проводят под углом 60…90°. Длина дрен колеблется от 70 до 250 м и в среднем равняется 150…200 м. Расстояние между ними определяют расчетами. При этом учитывают приток воды к дрене, геологическое строение осушаемой территории и водопроницаемость осушаемых почвогрунтов (табл. 4). Сетью открытых каналов осушают площади, отведенные под сенокосы, узкие поймы рек и вновь осваиваемые торфяные массивы. Таблица 4 Примерное расстояние между дренами при осушении площадей с легководопроницаемым подпахотным слоем, м Почвы пахотного горизонта Песчаные Супесчаные Легкосуглинистые Среднесуглинистые Торфяники: низинные переходные верховые Хозяйственное использование полевой и овощной лугопастбищные севосевообороты и пастобороты, летние пастби50…40 60…45 40…35 45…40 35…30 40…35 30…25 35…30 40…35 35…25 30…20 45…35 40…30 35…20 Осушение частой сетью каналов позволяет отвести вековые запасы воды и способствует уплотнению торфяной залежи. После такого предварительного осушения строят дренажную сеть или систему двустороннего действия. Ниже приведены примерные расстояния В (м) между открытыми осушителями при использовании осушаемой площади под сенокосы: Торфяники: низинный ................... 60…80 переходный ............. 50…70 верховой ............................ 30…40 среднесуглинистые .......... 50…60 легкосуглинистые ............ 60…70 супесчаные ................. 70…80 песчаные ………………. 80…100 36 В тяжелых подстилающих грунтах и при заболачивании грунтовонапорными водами принимают меньшие расстояния между каналами и дренами. В северной части Нечерноземной зоны расстояние между каналами и дренами следует уменьшать на 20…25%, а в южной ‒ увеличивать на 25%. На избыточно увлажненных почвах тяжелого механического состава, где основным источником водного питания являются осадки, регулирующую сеть создают в процессе выполнения комплекса агромелиоративных приемов (узкозагонная вспашка, гребневание, профилирование поверхности почвы, выборочное бороздование, кротование, углубление пахотного слоя). Для накопления влаги в активном слое почвы проводят кротование и рыхление подпахотного слоя, увеличивая тем самым влагоёмкость почвы. Влагоёмкость пахотного слоя повышают также за счет известкования почвы и внесения больших доз минеральных и органических удобрений, что, в конечном итоге, улучшает структуру и повышает плодородие осушаемых почв. 4.3. Типы осушительных систем и условия их применения Существует несколько классификаций осушительных систем. Общая классификация: 1) одностороннего регулирования; 2) двустороннего регулирования водного режима; 3) с механическим водоподъемом – польдерные. По конструкции: 1) открытые; 2) закрытые; 3) комбинированные. По принципу регулирования водного режима: 1) осушительные; 2) осушительно-увлажнительные. По принципу сопряжения с водоприемником: 1) самотечные; 2) с механическим водоподъемом, польдерные. По принципу водооборота: 1) неводооборотные; 2) с частичным замкнутым водооборотом; 3) водооборотные. 37 По принципу размещения: 1) систематические; 2) выборочные. 4.4. Системы двустороннего регулирования водного режима Осушительные системы двустороннего действия ‒ наиболее совершенный тип осушительных систем. Они имеют устройства, которые позволяют весной осуществлять удобрительное орошение и накапливать влагу в верхнем однометровом слое почвы, а летом поддерживать влажность в корнеобитаемом слое в оптимальных пределах для роста и развития сельскохозяйственных растений. Кроме того, на таких системах можно регулировать биологические процессы по накоплению и разложению органических веществ в почве. Системы двустороннего действия наряду с наличием всех элементов осушительной сети имеют и оросительные устройства: источник орошения; сеть оросительных каналов и трубопроводов, оснащенных гидротехническими сооружениями; дорожную сеть повышенного класса с сооружениями на ней и полный комплекс эксплуатационных устройств и оборудования. Источниками орошения таких систем являются реки-водоприемники, крупные осушительные каналы, водохранилища, расположенные в верховьях рек-водоприемников или на их притоках. Нередко на такие системы воду подают насосами из рек, расположенных за пределами осушаемого массива. Отличительная особенность систем двустороннего действия состоит в том, что осушаемые территории используются интенсивно. Площади пашни составляют 60…70% общей площади осушения. Почву увлажняют путем подъема уровня грунтовых вод или дождеванием. В зависимости от рельефа, приемов регулирования водного режима, интенсивности пополнения запасов грунтовых вод и возможности управления их уровнями осушительные системы двустороннего действия делятся на три вида: осушительно-оросительные, осушительно-увлажнительные и системы двустороннего увлажнения корнеобитаемого слоя почвы. 4.5. Способы увлажнения осушаемых земель В системах двустороннего регулирования водного режима используют следующие способы увлажнения осушаемых земель: 1. Дождевание – возможность применения этого способа определяется рельефом местности, площадью и конфигурацией, несущей способностью почв. Оросительная сеть проектируется закрытой и независимо от элементов осушительной сети. 38 2. Почвенное увлажнение, которое, в свою очередь, делится на: а) подпочвенное ‒ осуществляется путем регулирования УГВ (шлюзование); б) внутрипочвенное – осуществляется путем искусственной подачи воды в корнеобитаемый слой по перфорированным трубам или отверстиям в почве. Подпочвенное увлажнение Подпочвенное увлажнение возможно при: 1) хорошей проницаемости почв, Кф ≥ 1 м/сут. Если коэффициент фильтрации Кф = 0,5 м/сут, необходимо проводить кротование, щелевание, глубокое рыхление; 2) неглубоком залегании водоупора или близком залегании уровня грунтовых вод; 3) хорошо спланированной поверхности, т.е. при уклонах не более 0,001….0,005; 4) наличии пресных грунтовых вод. Предупредительное шлюзование заключается в том, что шлюзы закрывают в период максимальных расходов и осенью. Увлажнительное шлюзование – в вегетационный период (рис. 8). Рис. 8. Контуры увлажнения при шлюзовании каналов Внутрипочвенное увлажнение Внутрипочвенное увлажнение применяют при уклонах до 30° и более, где другие способы малопригодны. Преимущество такого способа состоит в том, что оно способствует получению более высоких урожаев, меньшему расходу влаги, возможности внесения удобрений в корнеобитаемый слой, сохранению структуры почвы, сокращению затрат труда и полной механизации. Увлажнение происходит под действием гидростатического напора в трубе, гравитационных и капиллярных сорбционных сил (рис. 9). 39 Рис. 9. Контуры увлажнения при внутрипочвенном увлажнении Осушительно-оросительные системы проектируют на массивах, где сильно выражен рельеф осушаемой территории или рельеф выражен слабо, но дрены приходится закладывать в горизонт почвогрунтов, имеющих коэффициент фильтрации менее 0,1 м/сут. Такие системы состоят из двух гармонически увязанных систем: осушительной и оросительной. Регулирующая осушительная сеть у них состоит из выборочного или систематического дренажа либо закрытых собирателей. На участках плоского рельефа при наличии почвогрунтов, имеющих тяжелый механический состав, применяют самостоятельно или дополнительно пологие ложбины, гребни, выводные и разъемные борозды, которые ускоряют отвод избыточных вод. Проводящая (водоотводящая) и ограждающая сеть состоит из открытых каналов. Конструкция оросительной сети осушительно-оросительных систем определяется рельефом, водно-физическими свойствами почвы, схемой осушительной сети, условиями водозабора и типами дождевальных установок (рис. 11). При самотечном заборе воды из источника орошения, благоприятном рельефе осушаемой площади (уклоны 0,0005…0,001) на средне- и тяжелосуглинистых почвах проектируют открытую оросительную сеть, обеспечивающую полив сельскохозяйственных культур дождевальными машинами типа ДДА-100МА и ДДН-100. В случае забора воды насосными станциями оросительная сеть может быть закрытой или комбинированной. Закрытая оросительная сеть состоит из стационарных или передвижных трубопроводов. Ее проектируют на участках со слабовыраженным рельефом. При этом почвы могут быть торфяные, легкосуглинистые или песчаные. Проектируют их и на участках, где рельеф местности и почвы позволяют строить открытую оросительную сеть, но полив сельскохозяйственных культур предусматривается проводить многоопорными дождевальными машинами типа «Днепр», «Фрегат», «Волжанка» и др. 40 Закрытая оросительная сеть состоит из магистрального трубопровода, транспортирующего воду от водозабора до орошаемого участка, распределительных трубопроводов, распределяющих воду между полевыми трубопроводами, и полевых, из которых воду забирают дождевальные машины и установки. Оросительные трубопроводы располагают так, чтобы было минимальное число пересечений их с закрытыми коллекторами и дренами. В связи с этим магистральные и распределительные трубопроводы намечают на полосе, осушаемой каналами, со стороны истоков закрытых коллекторов или между концами дрен. В ряде случаев с целью сохранения прямолинейности оросительных трубопроводов уменьшают длину дрен одного из закрытых коллекторов, а дрены соседнего коллектора увеличивают до 200 м. Полевые трубопроводы располагают вдоль дрен. При этом отдельные дрены могут иметь излом или менять направление в плане. Если закрытый оросительный трубопровод пересекает закрытый коллектор, то его закладывают на 0,5 м ниже коллектора, а керамические трубы на этом участке длиной 10 м заменяют на асбестоцементные. Для уменьшения диаметров магистральных и распределительных трубопроводов, а следовательно, и снижения капитальных затрат целесообразно закрытую оросительную сеть кольцевать. Кольцевание эффективно, когда длина трубопроводов, подлежащих кольцеванию, в 2 раза больше соединяющих их отрезков. Скорость движения воды в асбестоцементных трубах марок ВТ-6, ВТ-9 и ВТ-12 принимают равной 0,8…3 м/с. Скорость назначают из условия незаиляемости и недопущения разрушений труб от гидравлического удара. В длинных трубопроводах скорость движения воды чаще принимают равной 1…1,5 м/с. Переход трубопровода через гидравлически не рассчитываемый канал проводящей осушительной сети шириной до 4 м выполняют по типу висячего трубопровода. При этом между трубой и бытовым уровнем воды в осушительном канале должен оставаться просвет в 30 см и более, что исключает накопление мусора перед трубопроводом. В местах перехода канала асбестоцементные трубы заменяют на металлические, а длину определяют из условий заделки их в откосах канала не менее чем на 2 м. Если требуется перейти трубопроводом гидравлически рассчитываемый канал, то его выполняют в виде висячей трубы или назначают промежуточные опоры. Необходимость устройства опор обосновывается расчетами. Комбинированная оросительная сеть состоит из закрытых трубопроводов, подающих воду до поля в открытые оросители, из которых воду забирают дождевальные машины. 41 Осушительно-увлажнительные системы позволяют регулировать влажность почвы с помощью трубчатого дренажа путем изменения уровня грунтовых вод. Их следует проектировать на массивах, где грунтовые воды несоленые, рельеф в пределах каждого участка одновременного увлажнения (площадь его 10…30…50 га) выражен слабо, а в отношении закрытого коллектора требования сохраняются те же, что и при проектировании закрытых осушительных систем. При этом почвы должны быть влагоемкие с коэффициентом фильтрации 0,5 м/сут и более. Площадь одновременного увлажнения в пределах системы должна равняться 30…50% общей площади увлажнения. Осушительно-увлажнительная система представляет собой единую мелиоративную систему, состоящую из самостоятельных осушительной и оросительной частей и элементов, работающих в режиме осушения и увлажнения почвы. Осушительная часть системы включает в себя все элементы осушительной системы, кроме регулирующей сети, а оросительная ‒ все элементы оросительной системы, обеспечивающей подачу воды до участков одновременного увлажнения. Осушительно-увлажнительная часть расположена в пределах участка одновременного увлажнения. Она состоит: из закрытых водоподводящих трубопроводов, подающих чистую воду в колодцыгасители, напора (рис. 9); питающих каналов с керамзитовыми экранами или трубофильтрами, предназначенными для очистки оросительной воды от наносов, мусора и водорослей; закрытых оросителей, коллекторов и дрен, обеспечивающих своевременный отвод избыточной воды и увлажнение корнеобитаемого горизонта почвы путем подъема уровня грунтовых вод; гидротехнических сооружений (трубчатые регуляторы, приемные и сбросные колодцы, позволяющие подавать расчетные расходы воды и создавать рабочие напоры в дренажных линиях при работе системы в режиме увлажнения, а также своевременно отводить избыточные воды). Для регулирования влажности почвы на осушаемой территории путем изменения уровня грунтовых вод разработаны следующие системы из трубчатого дренажа: закрытая дренажная система с обводными каналами и шлюзамирегуляторами; закрытая осушительно-увлажнительная система (рис. 10); система питающих каналов с керамзитовыми трубофильтрами и экранами для увлажнения почв, осушаемых дренажем. Эти системы позволяют равномерно увлажнять почву в пределах участков одновременного увлажнения и защищать дренажные линии от заиления. Равномерность увлажнения почвы достигается учащением дренажа, подачей оросительной воды в истоки дрен и коллекторов и созданием 42 пьезометрического напора воды в дренажных линиях, равного глубине их заложения. Закрытую осушительно-увлажнительную систему (рис. 10) целесообразно применять на участках, где: почвы влагоемкие (торфяник или аллювиальные суглинки), имеющие минимальный коэффициент фильтрации 0,4…0,5 м/сут; вдоль коллектора уклон местности менее 0,005. Рис. 10. Осушительно-увлажнительная система в пойме реки Ямовки: 1 ‒ источник орошения; 2 ‒ шлюз-регулятор; 3 ‒ граница поля; 4 ‒ приемный колодец; 5 ‒ трубчатый регулятор с переездом; 6 ‒ закрытый ороситель; 7 ‒ магистральный осушительный канал; 8 ‒ закрытый коллектор; 9 ‒ дрены-увлажнители; 10 ‒ скважины для наблюдения за уровнем грунтовых вод; 11 ‒ устье коллектора; 12 ‒ сбросной колодец; 13 ‒ водовыпуск 43 На участке одновременного увлажнения в начале закрытых оросителей отметки поверхности почвы должны отличаться не более чем на 10…15 см, что позволяет поддерживать уровень воды в приемных колодцах на отметках, равных отметкам поверхности земли над верхними дренами. Рис. 11. Схема осушительно-оросительной сети: 1 – магистральный канал; 2 – ограждающая сеть; 3 – закрытые коллекторы; 4 – устьевое сооружение; 5 – дрены; 6 – смотровой колодец; 7 – шлюз-регулятор; 8 – насосная станция; 9 – магистральный трубопровод; 10 – распределительный трубопровод; 11 – распределительный колодец; 12 – гидрант В настоящее время в практике проектирования широко применяют два вида систем: осушительно-увлажнительные, обеспечивающие согласованное изменение уровня грунтовых вод с интенсивностью испарения с поверхности почвы и растений, и осушительно-оросительные, у которых на 44 транспортирующих собирателях имеются шлюзы-регуляторы, позволяющие осуществлять предупредительное шлюзование и полностью аккумулировать неиспользованные оросительные воды. 4.6. Системы водооборотного типа Особенно перспективны осушительно-увлажнительные системы водооборотного типа. Достоинством таких систем является возможность повторного использования дренажных и сбросных вод, что способствует предотвращению загрязнения рек и водоемов. Водооборотные осушительноувлажнительные системы включают в себя два пруда накопителя: один устраивается в устье магистрального канала; 2-й – в верхней части системы, куда собранный дренажный сток из нижнего пруда подается насосной станцией (НС) по напорному трубопроводу. В случае нехватки дренажного стока дополнительно используют воду из рек, озер, подземных источников. Полив может осуществляться по дренам либо дождеванием (рис. 12). 2 1 5 4 3 Рис. 12. Схема системы водооборотного типа: 1 ‒ нижний пруд; 2 – верхний пруд; 3 ‒ насосная станция; 4 – напорный трубопровод; 5 – магистральный канал 4.7. Польдерные системы Характерной особенностью систем данного типа является наличие заградительных валов, насосных станций, работающих на откачку избыточных вод. Внутри обвалованной территории в зависимости от планируемо45 го сельскохозяйственного использования осушаемой площади проектируют систему одностороннего или двустороннего действия. Осушение с механическим водоподъемом проводят на территориях, прилегающих к морям, озерам, поверхность которых ниже уровня воды этих водоемов, а также на территориях, где водоприемник имеет уровень воды выше уровня воды устьевой части магистрального канала, на болотах и заболоченных землях с малыми уклонами. Польдер – это обвалованная часть вышеуказанной территории. ОГРАДИТЕЛЬНАЯ ДАМБА МК НС Рис. 13. Схема кольцевого (замкнутого) пойменного польдера Польдеры бывают: в зависимости от расположения – приморские, пойменные, низинные (водоприемником служит озеро, водохранилище). По характеру обвалования польдерная система может быть кольцевой, либо замкнутой (рис. 13), и боковой, либо односторонней (рис. 14). Кольцевую схему применяют на пойменных польдерах. На затапливаемых (летних) польдерах ее используют для защиты жилых и производственных центров. Боковую схему применяют на всех видах польдерных систем. Вода с польдерной системы может отводиться машинным водоподъемом и самотеком. Самотечный водосброс предусматривают на приморских польдерах, действующих в условиях приливов и отливов и на поймах в верховьях рек, где паводки бывают кратковременными. При такой схеме необходимо устройство шлюзов в дамбах и внутрипольдерных емкостей для сбора внутреннего стока во время паводка (рис. 14). На обвалованной территории могут быть польдерные системы с одной либо с несколькими насосными станциями. Если на одном польдере имеется 46 несколько насосных станций, то они могут располагаться по последовательной, обособленной и участковой схемам. Выбор той или иной схемы определяется технико-экономическими расчетами. Последовательную и обособленную схемы целесообразно применять на длинных и узких пойменных польдерах для избежания заглубления нижней части магистрального канала, а также увеличения водоподъема. При возделывании культур с разными требованиями к водному режиму применяют одну головную и несколько участковых насосных станций. Особенно перспективны польдерные системы водооборотного типа, которые способствуют экономному использованию и охране водных ресурсов. В таких системах вода во влажные периоды года поступает не в водоприемник, а в водоналивной пруд для дальнейшего использования на орошение в засушливое время. Таким образом, предотвращается загрязнение водоприемника дренажными водами и достигается более полное использование удобрений и оросительной воды. 1 2 3 Рис. 14. Схема пойменного польдера с односторонним обвалованием и самотечным водосбросом: 1 ‒ дамба обвалования; 2 ‒ магистральный канал; 3 ‒ емкость для внутреннего стока; 4 ‒ шлюз-регулятор 4.8. Норма осушения Норма осушения, по определению А.Н. Костякова, ‒ это оптимальный для данной культуры режим глубины грунтовых вод на осушаемой площади в различные фазы развития культуры в течение вегетационного периода, а также в последующий и предшествующий ему вневегетационные периоды. Норма осушения является важнейшим показателем водного режима почвы, который значительно влияет на её воздушный, тепловой, микробиологический и пищевой режимы. В целом водный режим почвы характеризу47 ется её влажностью. При наличии грунтовых вод на глубине не более высоты капиллярного поднятия влажность почвы будет напрямую зависеть от их глубины, так как чем глубже расположены грунтовые воды, тем выше аэрация почвы, и наоборот. В связи с этим оптимальный водный режим почвы при осушении целесообразно выражать нормой осушения. Норма осушения зависит от многих факторов: вида растений и фазы их развития; почвенных и метеорологических условий, типа водного питания; требований к возможности перемещения сельскохозяйственных машин по осушаемой площади при её обработке, а также посеве и уборке культур. Чем больше требования растений к содержанию воздуха в почве, чем больше высота капиллярного поднятия, обильнее атмосферные осадки, меньше испарение, больше удельное давление на грунт сельскохозяйственных машин, тем больше должна быть норма осушения. Для одной и той же культуры норма осушения не может быть величиной постоянной, так как она меняется в соответствии с изменением требований растений к водному режиму почвы в разные фазы развития (табл. 5). Это связано с увеличением корнеобитаемого слоя почвы (где и должен поддерживаться оптимальный водно-воздушный режим) по мере роста и развития растений. Таким образом, норма осушения изменяется во времени и определяется в первую очередь мощностью корнеобитаемого слоя и высотой капиллярного поднятия, которая для торфа составляет 60…70, для супесей ‒ 40…60см. Особое внимание при осушении следует уделять семечковым садовым деревьям с глубокой корневой системой. Яблоневые сады (глубина корневой системы до 2…3 м) чувствительны к оглеению почв и их заболоченности. Наличие оглеения, что бывает при периодическом избыточном увлажнении (на глубине 1,2…3 м) и прочих благоприятных условиях, делает данную площадь непригодной для семечкового сада. Таблица 5 Нормы осушения для различных культур по периодам вегетации, м Культура Предпосевной период 1-й месяц вегетации Последующие периоды Зерновые яровые 0,45…0,5 0,7…0,8 0,7…0,9 Зерновые озимые 0,5…0,6 0,7…0,8 0,7…0,9 Картофель, корм. и сахарная свекла 0,5…0,6 0,85…1,0 0,9…1,0 Овощи, подсолнечник, кукуруза на силос 0,5…0,6 0,7…0,8 0,8…1,0 Травы на силос Травы на выпас 0,4…0,5 0,5…0,6 0,5…0,6 0,6…0,7 0,6…0,75 0,7…0,80 48 Для сливы, вишни, крыжовника слабое оглеение допустимо на глубине не выше 1,5 м; для чёрной смородины и малины – не выше 1,0 м. Особенно опасно затопление корней в летний период на фоне активной вегетации, когда в застойной тёплой воде резко снижается содержание растворимого кислорода. Подъём УГВ ранней весной (до распускания почек) и поздней осенью (после завершения вегетации) не представляет серьёзной опасности. При посадке плодовых деревьев (семечковых) УГВ = 1,5…2,0 м. В дальнейшем норму осушения следует поддерживать в вегетационный период на уровне 2 м (яблоня), для крыжовника – 1,5 м, земляники – 0,6…0,7 м. Самые неблагоприятные условия наблюдаются в переувлажнённых западинах. 4.9. Особенности лесоосушительных систем Как известно, переувлажнение леса снижает ежегодный прирост древесины, ухудшает её качество, затрудняет эксплуатацию техники, заготовку и вывоз древесины, естественное возобновление леса, ухудшает санитарногигиенические и эстетические условия местности. Осушение устраняет эти неблагоприятные качества, повышает ветроустойчивость леса, особенно елового, сокращает сроки его выращивания, улучшает лесные сенокосы и пастбища, облегчает борьбу с лесными пожарами, повышает доступность лесных угодий. При осушении лесов исходят из того, чтобы осушалось не более 50…60% фонда переувлажненных земель. Срок окупаемости капитальных вложений в мелиорацию на примере Центрального района Нечерноземной зоны составляет 5‒6 лет (сосняки). Работы по осушению проводят в основном в лесах I группы, ограниченно – II, а также в районах интенсивных лесозаготовок в лесах III группы. В лесах III и IV групп (часть II) для осушения используют только проводящую сеть в сочетании с дорожным строительством, противопожарными мероприятиями и лесокультурными работами. Наилучший эффект от осушения в лесах I группы иногда достигает 15…20 м3/га, особенно отзывчивы леса IV и V бонитета. Наивысшие результаты в молодняках и жердняках, высокие ‒ в средневозрастных и умеренные ‒ в спелых лесах. На осушенных торфяных почвах с высоким плодородием вырастают сосновые и еловые леса через 20 лет с запасом древесины 150 м3/га, а через 60 лет – до 400 м3/га. Для обеспечения максимального эффекта от осушения необходимо создание и поддержание оптимального водно-воздушного режима в корне49 обитаемом слое почвы. Оптимальный водно-воздушный режим при проведении осушительных мелиораций определяется нормой осушения. Норма осушения ‒ это оптимальная глубина залегания уровня грунтовых вод, обеспечивающая максимально возможную продуктивность. При расчетах норму осушения а принимают для наименее осушенной части. Норма осушения зависит от времени и географии района, типа и возраста леса. Расчетная норма осушения а характеризует начало роста корней. Пределы её изменения нормируют с учетом отклонения продуктивности насаждений ± 2 класса бонитета (ширина диапазона изменений а составляет 6…18 м). Норма осушения в лесах весной должна составлять 0,2…0,3 м, летом ≥ 0,3…0,5 м, среднее значение нормы осушения за вегетацию для разных угодий составляет: лес на переходных и верховых болотах ‒ а = 0,4…0,5 м; болотный сосняк ‒ а = 0,6…0,75 м; культурный луг, лесопитомник ‒ а = 0,7…1,0 м. Таблица 6 Нормы осушения а для леса различного типа, м Главная Возраст, лет порода среднее… Московская область (север) Сосняк сфагновый, кус15 0,33 Сосна тарник сфагновый 65 0,42 Березняк долгомошный Ель 30 0,64 Ельник травяноЕль 60 0,32 сфагновый Вологодская область (запад) Сосняк по переходным Сосна 50 0,54 болотам Сосняк осоково85 0,62 Сосна сфагновый 30 0,51 Ельник травяноЕль 190 0,74 сфагновый Тип леса, болота а, м расчетная 0,12 0,29 0,32 0,14 0,31 0,25 0,32 0,32 В состав лесоосушительной системы входят те же основные элементы, что и осушительной системы сельскохозяйственного назначения. Она состоит из регулирующей сети (осушители, тальвеговые каналы, дрены, борозды); проводящей сети (магистральные каналы, транспортирующие собиратели, коллекторы); оградительной сети (пограничные, нагорные и ловчие каналы); водоприемников, гидротехнических сооружений, противопожарных водоемов и дорожной сети. Конструкция и расположение регулирующей сети на плане зависят от типа водного питания. 50 При атмосферном и грунтовом типе водного питания регулирующая сеть проектируется открытой и закрытой ‒ осушители (дрены). Открытые осушители проектируют с минимальным уклоном imin = 0,0005, длиной до 1500 м, шириной по дну b(по дну) = 0,2…0,4 м, глубиной h = 0,6…1,5 м. Заложение откосов m зависит от типа грунта, а глубина h и расстояние между осушителями В – от нормы осушения а и района проведения работ. Дрены могут различаться по характеру изготовления и материалам, средняя глубина дрен зависит от возделываемых культур (нормы осушения) и грунтов. Минимальная глубина дрены в истоке bmin = 0,7…0,9 м; максимальная глубина в торфяниках после осадки bmax = 1,1…1,5 м, а в минеральных грунтах bmax = 1,0…1,3 м. Длина дрен в зависимости от уклонов местности lдр = 200 м (i = 0,003…0,005) и lдр = 300 м при i = 0,01. Расстояние между дренами В для Нечерноземной зоны в среднем составляет: В = 20…40 м ‒ низинный торф; В = 30…50 м ‒ песок мелкозернистый; В = 20…40 м ‒ супесь; В = 20…40 м ‒ суглинок. При грунтово-напорном типе водного питания регулирующая сеть может включать: 1. Ловчий канал (либо ловчую дрену) глубиной до 2,5…3 м, если верхний напорный водоносный горизонт более 4 м, выходы напорных дрен засыпают или каптируют трубами. 2. Систематическую сеть открытую или закрытую глубокого (до 1,8…2,5 м) дренажа. 3. Разгрузочные скважины диаметром d ≈ 10 см, заглубленные в напорный водоносный горизонт и выведенные в каналы или дрены при расстоянии между ними B = 30…100 м. 4. Вертикальный дренаж, представляющий собой комплекс сооружений из водозабора с гидромеханическим оборудованием и наземных энергетических, водоотводящих, транспортных, измерительных устройств. Оградительная сеть состоит из нагорных (НК) и ловчих (ЛК) каналов. Нагорные каналы, которые служат для перехвата поверхностных вод, притекающих с вышерасположенных территорий, проектируют глубиной b = 1…1,5 м и длиной L от 300…500 м до нескольких километров при уклонах i ≥ 0,0005. 51 Ловчие каналы, которые служат для перехвата грунтовых вод, проектируют глубиной b = 1,5…2,5 м. При наличии водоупора дно ЛК врезают в него. При глубине каналов b > 2…2,5 м и слабых грунтах применяют параболическую форму поперечного сечения. Проводящая сеть проектируется в большинстве случаев открытая. К проводящей сети относятся магистральные каналы (МК), транспортирующие собиратели (ТС), водоотводы, борозды. Каналы проектируют трапецеидального поперечного сечения при глубине b до 3 м, при глубине b > 3 – параболического поперечного сечения. Допустимые скорости течения воды в каналах из условия неразмываемости и незаиляемости для песчаных грунтов составляют ʋпесч. = 0,4…0,7 м/с, для торфа и суглинка ʋторф. суглин. = 0,7…1 м/с. Минимальный уклон дна канала imin дна = 0,0005, для крупных каналов допускается imin = 0,0002. При необходимости откосы русла крепят одерновкой, хворостяным плетнем, бетонными, керамзитобетонными плитами и др. Временно затопленные и сухие откосы крепят посевом многолетних трав. При осушении лесов применяют преимущественно открытые каналы (осушители). При осушении парков, лесопитомников и лугов чаще всего используют закрытые дрены. Рекомендуемые глубины осушителей приведены в таблице 7. Таблица 7 Глубина осушителей, м Мощность торфа b (осушителей), м ˂ 0,5 0,6…1,0 0,5…1,0 1,0…1,4 > 1,3 1,2…1,4 и более При осушении заболоченных вырубок, ольховых насаждений и земель с атмосферным типом водного питания осушители проектируют с глубиной b = 0,6…0,8 м. Расстояние между осушителями Вос зависит от типа леса, почв, географических условий местности и глубины осушителей bос, поэтому для разных глубин и районов вводят поправочные коэффициенты. Расстояния между осушителями Вос при глубине b = 1 м (после осушения торфяников) для основных типов леса приводятся в таблице 8. Длина осушителей Lос = 500…1000 м, при пересечённом рельефе Lос до 200 м, при больших уклонах местности длина осушителя проектируется до 1500 м. 52 Таблица 8 Расстояние между осушителями (В), м Исходная группа типов леса Сосняк: по верх. болоту по переход. болоту Сосняк: сфагновый травяно-сфагновый травяной Ельник: травяно-сфагновый травяной Сосняк долгомошный Ельник долгомошный В, соответствующее max рентабельности орг.max продуктивности хоз. деятельности Болота 40 60 Болотные леса 80 120 55 70 80 110 120 160 60 75 Заболоченные леса 110 150 80 160 65 120 Осушители проектируют так, чтобы они размещались в пределах квартала и не пересекали кварталы просеки. Проводящую сеть совмещают с просеками. В дополнение к систематической сети осушителей предусматривают борозды для отвода воды из понижений глубиной 0,3…0,7 м, длиной 1 00…200 м на расстоянии В = 15…20 м (рис. 15). Рис. 15. Схема лесоосушительной сети: 1 ‒ квартальные просеки; 2 ‒ граница заболоченного массива; 3 ‒ нагорно-ловчий канал; 4 ‒ магистральный канал; 5 ‒ транспортирующий собиратель; 6 ‒ осушители; 7 ‒ собирательные борозды; 8 ‒ борозды; 9 ‒ противопожарные водоемы 53 Глубину проводящей сети (магистрального канала) вмк проектируют на 0,1…0,2 м больше впадающих осушителей и на 0,2…0,3 м больше глубины транспортирующих собирателей. Гидравлический расчет выполняют на послепаводковый расход при осушении лесов и на максимальный расход весеннего половодья Qmax при осушении лесопарков. В расчетный период допускается работа канала полным сечением, в летне-осенний период расходы воды Q должны проходить на 0,2…0,4 м ниже бровок каналов. Допустимое весеннее затопление лесных культур следующее: дуб, клен, ясень – до 25 сут; тополь – до 50 сут; ольха, ива – до 60 сут. Осушение переувлажненных земель в лесах для организации подсобных хозяйств, садоводческих кооперативов, личных участков и огородов работников лесных хозяйств проводят по нормативам сельскохозяйственной мелиорации. В противопожарных целях предусматривают шлюзы на каналах проводящей сети, водопроводящие к ним каналы (от рек и озер) и противопожарные водоемы. Противопожарные водоемы создают на пониженных участках около осушительного канала, с которым соединяют траншеей глубиной до 0,5 м. Водоемы (копани) делают глубиной до 2…3 м, шириной по дну 4…5 м. Вместимость водоема ≥ 100…180 м3, которые заполняются паводковыми водами. Осушение лесов преобладает самотечное, насосные станции – стационарные. Контрольные вопросы 1. Что относят к объектам осушения? 2. Типы водного питания. 3. Какие методы и способы применяют при атмосферном типе водного питания? 4. Чем характеризуется грунтовый тип водного питания? 5. Что такое норма осушения и от чего зависит ее величина? 6. Основные элементы осушительной системы. 7. Типы осушительных систем. 8. Чем характеризуются лесоосушительные системы? 54 Глава 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИДРОМЕЛИОРАТИВНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ЛЕСНОГО И ПАРКОВОГО ХОЗЯЙСТВА В данной главе рассматривается пример проектирования гидромелиоративной системы для лесного и паркового хозяйства. Для парковой зоны проектируется оросительная система, что обеспечивает двустороннее регулирование водного режима в корнеобитаемом слое почвы. 5.1. Природно-климатические условия района проектирования При проектировании необходимо проанализировать основные сведения о природно-климатических условиях территории, в пределах которой необходимо запроектировать гидромелиоративную систему. К таким сведениям относятся: метеоданные – сумма активных и эффективных температур; гидротермический коэффициент (ГТК); коэффициент увлажнения (КУ); сумма осадков за вегетационный период; дата перехода среднесуточных температур воздуха через +5°С; максимальные и минимальные температуры в зимний и летний периоды; высота снежного покрова и т.д. Важнейшее влияние на параметры гидромелиоративной системы оказывают почвенные условия участка. Поэтому наряду с распространёнными типами почв участка необходимо указать их основные физические и воднофизические свойства (плотность почвы, скважность, наименьшую (НВ), полную (ПВ) и предельно-полевую влагоёмкость (ППВ), влажность завядания (ВЗ), коэффициент водоотдачи и водопроницаемости и т.д.). На параметры осушительной системы большое влияние оказывают гидрологические и гидрогеологические условия исследуемой территории, которые нельзя не учитывать при её проектировании, строительстве и эксплуатации. Здесь следует указать такие данные, как годовой сток, площадь водосбора участка, максимальный и минимальный расход рек, уровень грунтовых вод и амплитуда его колебания за сезон, заозёренность, заболоченность и залесённость территории района и т.д. 5.2. Мелиоративное состояние осушаемого участка При проектировании гидромелиоративной системы необходимо обратить внимание на специализацию хозяйства, необходимость и возможность проектирования, строительства и эксплуатации данной системы, а также оценить пригодность имеющихся земельных угодий для ведения сельского хозяйства. Также надлежит учесть территориальную расположенность участка, удалённость его от производственных центров, пунктов сбыта и переработки первичной продукции. 55 При оценке сельскохозяйственных угодий под строительство системы следует проанализировать топографию территории, экспозицию склона, наличие естественных понижений и возвышенностей. В случае присутствия на территории водоёма (реки, озера, пруда, водохранилища) необходимо привести его основные гидрологические параметры, а также возможность их использования в качестве водоприёмника и водоисточника (расположение их относительно участка, направление стока, расход реки, площадь возможного орошения и т.д.). Также в оценку состояния земельных угодий входит анализ почвенного покрова (наличие определённых типов почв, их водно-физические, гидрогеологические, агрохимические свойства и т.д.), степень захламлённости территории, наличие на ней лесной и кустарниковой растительности, камней, кочек и т.д. 5.3. Определение характерных лет и выбор года расчетной обеспеченности Обеспеченность – это вероятность повторения какого-либо события, иначе – это мера возможного появления того или иного события, например, различных гидрологических характеристик (сток, осадки, испарение и т.д.). Гидротехнические сооружения для оросительной и осушительной системы, как правило, строят на длительный срок. Все сооружения рассчитывают исходя из определенного процента обеспеченности. Расчет режима орошения в зависимости от климатических условий района, погодных условий, реального или фиктивного года проводят на процент обеспеченности не менее 75…95%, для дренажной сети ‒ на основании данных о стоке воды в весенний период 5…10%. 25 осадки 80 20 температура 70 15 10 50 5 40 0 30 декабрь ноябрь октябрь сентябрь август июль июнь -15 май 0 апрель -10 март 10 февраль -5 январь 20 декабрь осадки 60 температура 90 Рис. 16. График осадков и температуры воздуха 56 Для расчета процента обеспеченности выбирают данные за 25–35 лет наблюдений за стоком, осадками или другими параметрами. Их располагают в убывающем порядке и по формуле (26) определяют обеспеченность: Р = 100 · (m ‒ 0,3)/(n + 0,4) . (26) При коротком ряде лет расчет ведется по формуле Р = 100 · m/(n + 1) , (27) где Р – процент обеспеченности; m – порядковый номер члена ряда; n – число членов в ряду. кривая обеспеченности 700 500 400 300 200 100 95 100 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 5 0 10 сумма осадков, мм 600 % обеспеченности Рис. 17. Кривая обеспеченности Затем строят кривую обеспеченности осадками (рис. 17) и определяют характерные и расчетные годы. Для расчета параметров осушительной сети и составления планов регулирования водного режима в осушаемом слое почвы определяют расчетный год по разности между суммой осадков и испарения с площади водосбора. Такой подход обусловлен тем, что водный режим в осушаемом слое почвы формируется под влиянием как атмосферных осадков, так и испарения с поверхности почвы и растений. Следует учитывать, что эти показатели в значительной степени зависят от особенностей конкретного года, погодные условия которого могут иметь те или иные отклонения от средних (например, холодное лето при сравнительно малом количестве осадков или, наоборот, лето жаркое, а количество осадков довольно большое). Для построения кривой обеспеченности заданных лет по разности между осадками и испарением с площади водосбора необходимо сделать расчет, приведенный в таблице 9. Сумму температур и атмосферных осадков за расчетный период (май-сентябрь) для каждого года выписывают из метеорологических таблиц. 57 Испарение за расчетный период определяют по общим формулам или зависимостям, выведенным для конкретного района. Для условий Московской области величину испарения можно рассчитать по формуле П.А. Волковского: Е = Ки · Σt , (28) 3 где Ки – модуль испарения, м /га, на 1° среднесуточной температуры воздуха, зависящий от влажности почвы; Σt – сумма среднесуточных температур воздуха за расчетный период, °С. Так как влажность почвы в пределах водосбора равняется 63% полной влагоёмкости, то по графику (рис. 18) Ки = 1,5 м3/га, или 0,15 мм на 1°С. Тогда Е = 0,15 · Σt. Разность между осадками и испарением может быть положительной или отрицательной. Например, в 1937 г. она равнялась –40 мм, а в 1958 г. +28 мм. При расположении разностей в убывающем порядке в таблице 5 соответственно каждой из них в графу «6» записывают год и по формуле 2 определяют процент его обеспеченности. Ки 2,5 2 1,5 1 0,5 Wn, % ПВ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Рис. 18. Модуль испарения Параметры осушительной сети проектируют для влажного года с обеспеченностью Р = 5…10%. В данном случае это будет 1965 г. (Р = 9,1%). Оросительную сеть проектируют для условий сухого года с обеспеченностью Р = 80…90%. Для расчёта параметров оросительной сети принят засушливый 1961 г., имеющий 81,9% обеспеченности (табл. 9). Исходя из данных таблицы 9, устанавливаем следующие характерные годы: средневлажный – 1958 (27,3%), средний – 1959 (54,6%) и среднесухой – 1957 (72,8% обеспеченности). 58 Таблица 9 Расчет лет различной обеспеченности по разности между осадками и испарением Год Σt, сумма среднесуточных температур воздуха за май-сентябрь, ºС ΣЕ, сумма испарения за майсентябрь, мм ΣОс, сумма осадков за майсентябрь, мм R = ΣОс ‒ ΣЕ, разность между осадками и испарением, мм 1957 2340 351 311 1958 2142 321 1959 2238 1960 Год Rв убывающем порядке Р, % обеспеченности ‒40 1965 139 9,1 349 +28 1962 44 18,2 336 329 ‒7 1958 28 27,3 2319 349 346 ‒3 1966 14 36,4 1961 2313 347 301 ‒46 1960 ‒3 45,5 1962 1995 299 343 +44 1959 ‒7 54,6 1963 2457 369 336 ‒33 1963 ‒33 63,7 1964 2367 355 207 ‒48 1957 ‒40 72,8 1965 2130 320 459 +139 1961 ‒46 81,8 1966 2334 350 364 +14 1964 ‒48 91 Таблица 10 Осадки и температура воздуха расчетного 1961 г. (81,9% обеспеченности) Май Июнь Июль Август Сентябрь Показатель t, °С Ос, мм I II III I II III I II III I II III I II III 10,4 9,9 15,3 19,7 20,5 17,6 18,6 19,4 20,3 20,6 16,6 13,4 10,8 9,6 8,2 1,5 34,1 2,6 2,0 22,7 6,5 26,4 32,5 16,2 20,3 28,6 62,6 23,0 15,9 5,9 5.4. Выбор схемы осушительной системы и проектирование закрытой осушительной сети 5.4.1. Выбор метода и способа осушения Осушение избыточно увлажненных земель эффективно в том случае, когда коренным образом изменяют водный режим в осушаемом слое почвы или если оно ликвидирует причины, вызывающие заболачивание почвы. Прежде чем приступить к проектированию осушительной системы, 59 необходимо сначала выяснить причины заболачивания, тип водного питания и наметить мероприятия для ликвидации вредного воздействия этих причин. Целевая направленность мелиоративного комплекса, включающего технические, агротехнические и организационные мероприятия, обеспечивающие ликвидацию избыточного увлажнения территории, называется методом осушения. Техническое осуществление метода осушения с целью создания оптимального водно-воздушного режима почвы для выращивания сельскохозяйственных культур называется способом осушения. Другими словами, способ осушения – это порядок проведения мелиоративных мероприятий, который определяется экономической целесообразностью и технической возможностью (наличием денежных средств, материалов, механизмов и пр.). В пойме р. Яхромы (р. Лихоборки) основная причина заболачивания – высокий уровень грунтовых вод и слабый их отток. Тип водного питания – безнапорные грунтовые воды. Метод осушения – понижение уровня грунтовых вод и ограждение осушаемого участка от поступления поверхностных вод, стекающих со склонов в пойму. Способ осушения для парковой зоны – закрытый горизонтальный дренаж, так как он создает меньше помех, равномерно понижает уровень грунтовых вод, повышает коэффициент земельного использования и удешевляет эксплуатацию. Для лесопитомника способом осушения выбираем открытые осушители. 5.4.2. Выбор схемы закрытой гидромелиоративной системы Схема системы выбирается в зависимости от природных условий, типа водного питания и сельскохозяйственного использования осушаемой площади. В качестве осушительной сети выбираем закрытый траншейный горизонтальный дренаж, а ограждение площади производим нагорными каналами. Исходя из рельефа участка и типа почвы, для орошения газонов лучшим способом будет дождевание. Принимая во внимание слабый общий уклон участка и наличие слоя торфа на его поверхности, для дождевания лучше всего запроектировать закрытую оросительную сеть. 5.4.3. Проектирование на плане участка осушительной части системы Закрытая осушительная система будет состоять из следующих элементов: - осушаемая территория (часть поймы р. Яхромы); - регулирующая сеть (закрытые дрены); - проводящая сеть (магистральные каналы и закрытые коллекторы); - ограждающая сеть (нагорные, ловчие или нагорно-ловчие каналы); 60 - сооружения на сети (устья, колодцы, шлюзы-регуляторы); - дороги и дорожные сооружения; - водоприемник (р. Яхрома). Расположение осушительной сети на плане с учетом запланированных хозяйственных мероприятий и природных условий показано на рисунках 19 и 20. Водоприемник. Водоприемником осушительной сети может быть река, озеро, пруд, овраг и т.д. Основное назначение водоприемника – своевременно принимать из осушительной сети и отводить за пределы осушаемой территории избыточные воды. Реки-водоприемники имеют рабочую и сбросную части. Рабочий участок реки принимает воду из осушительной сети, а часть реки, расположенная ниже рабочего участка, т.е. за пределами осушаемого участка, называется сбросной. Если водоприемник не справляется со своевременным отведением воды с осушаемой территории, то его следует отрегулировать. Регулирование водоприемника заключается в его спрямлении, углублении, придании правильной формы поперечному сечению, расчистке и т.д. Отрегулированная часть водоприемника должна отвечать следующим требованиям: • русло реки в плане должно иметь плавное очертание; • уклон дна однообразный и по возможности увеличивается к устью; • максимальный расчетный горизонт летне-осенних паводков должен полностью вмещаться в русло, а вода не выливаться в наиболее низких местах береговой полосы; • необходимые скорости течения воды в летне-осенние и паводковые периоды определяются с учетом повышенной шероховатости – вследствие зарастания ложа водной растительностью; • форма поперечного сечения русла должна приниматься с учетом устойчивости прорезаемых грунтов; • берма шириной 3 м и больше, чистая от грунта, а кавальеры разровнены или оформлены в дамбы под полотно дороги; • русло реки оборудуется мостами, скотопрогонами, переездами и т.д. 61 Рис. 19. Схема осушительной и оросительной сети в пойме р. Лихоборки: 1 – магистральный канал; 2 – ограждающая сеть; 3 – открытые осушители; 4 – открытые собиратели; 5 – закрытые коллекторы; 6 – дрены; 7 – шлюз-регулятор; 8 – смотровой колодец; 9 – водоприёмник; 10 – устьевое сооружение; 11 – противопожарный водоём; 12 – насосная станция; 13 – магистральный трубопровод; 14 – дождеватели; 15 – распределительный колодец; 16 – полевые трубопроводы; 17 – распределительный трубопровод; 18 – граница орошаемого участка 62 Рис. 20. Схема расположения осушительной сети в пойме р. Яхромы 1 – магистральный канал; 2 – закрытый коллектор; 3 – дрена; 4 – смотровой колодец; 5 – устьевое сооружение; 6 – открытый осушитель; 7 – транспортирующий собиратель; 8 – шлюз-регулятор; 9 – река-водоприёмник; 10 – противопожарный водоём К сбросной части водоприемника предъявляются следующие требования: • сопряжение расчетных горизонтов паводковых расходов сбросного и рабочего участков осуществляется без спада и подпора; • бытовые горизонты располагаются не менее чем на 2 м ниже прибрежной части осушаемой территории; • поперечные сечения сбросной и рабочей частей примерно одинаковы; • дно регулируемого участка реки выведено на отметку дна сбросного участка. После водоприемника вторым основным элементом осушительной сети является магистральный канал (рис. 21), так как от его размеров и техниче63 ского состояния зависит успех работы всех впадающих в него каналов и коллекторов. К магистральному каналу предъявляют следующие требования: • русло канала должно совпадать с направлением паводка; • он должен проектироваться по самым низким отметкам осушаемой площади, а на болоте с мелкозалежным торфяником ‒ проходить по тальвегам минерального дна болота; • должен быть прямолинейным и иметь минимальное количество поворотов; • уровень воды в канале не должен подпирать уровень впадающего канала, летне-осенний паводок должен полностью вмещаться в его русле; • форма поперечного сечения должна отвечать устойчивости прорезаемых грунтов. Допускаемые уклоны магистрального канала 0,0005…0,005. Расстояние между проводящими каналами зависит от допустимой длины закрытых коллекторов дренажной сети и количества полей в севообороте. Длина коллектора принимается в пределах 600…1200 м. Рис. 21. Магистральный канал и впадающие в него коллекторы При размещении полей необходимо стремиться к тому, чтобы они имели прямоугольную форму, а ширина их была бы не меньше 400…500 м. Ограждающая сеть. С западной стороны участка запроектировано три нагорных канала, каждый из которых впадает в магистральный канал. Нагорные каналы предназначены для перехвата и отвода поверхностных вод, стекающих с прилегающего водосбора на осушаемую территорию. Незакрепленные нагорные каналы должны проектироваться с уклоном i = 0,0005…0,005 (рис. 22). H max h Рис. 22. Канал ограждающей сети: нагорный канал 64 Ловчие каналы предназначены для перехвата и отвода грунтовых вод, притекающих на осушаемую территорию с прилегающих водосборов (рис. 23). B1 B ГГВ I1 I h>1,5 м h Рис. 23. Канал ограждающей сети: ловчий канал Закрытые коллекторы дренажной сети. Назначение закрытых коллекторов – принять воду из закрытых дрен и отвести её с осушаемого участка в магистральный канал. От работы закрытых коллекторов зависит нормальная работа дренажной сети. Коллекторы прокладывают по наибольшему уклону осушаемой площади. Допустимые уклоны коллекторов 0,0015…0,07. В зависимости от рельефа местности дрены к коллектору подсоединяют с одной или с двух сторон (рис. 24). Рис. 24. Расположение дрен по отношению к коллектору: а – коллектор с односторонним впуском дрен; б – коллектор с двусторонним впуском Регулирующая сеть предназначена для регулирования влажности в активном слое почвы путём сбора избыточных поверхностных и понижения уровня грунтовых вод. При размещении регулирующей сети в плане осушительные каналы необходимо строить по границам полей севооборота, внутри каждого поля осушительная сеть должна быть представлена закрытым дренажем. 65 Открытые каналы осушают полосу по 30…50 м с обеих сторон. Дрены впадают в коллектор с одной или с двух сторон под углом 60…90° (см. рис. 19, 20). Длина дрен 70…250 м, в среднем ‒ 150…200 м. Между концами соседних дрен должна оставаться полоса шириной, равной половине расстояния между дренами. Уклон дрены должен быть не менее 0,002. Рис. 25. Соединение дренажных труб 5.4.4. Расчет режима осушения Норма осушения (а) – определенный для данной культуры режим уровня грунтовых вод (УГВ), который нужно поддерживать на осушаемой площади для обеспечения оптимального водно-воздушного режима в корнеобитаемом слое почвы в различные фазы развития культуры для получения максимально возможной продуктивности. При расчёте норму осушения (табл. 11) принимают для наименее осушенной части. Норма осушения зависит от времени, местоположения района, типа и возраста лесонасаждения и определяется мощностью корнеобитаемого слоя, а также высотой капиллярного поднятия, которая для торфа составляет 60…70, для супесей ‒ 40…60 см. Расчётная норма осушения принимается на период начала роста корней. Пределы её изменения нормируют с учётом отклонения продуктивности насаждений ± 2 класса бонитета (ширина диапазона изменений нормы осушения составляет 6…18 см). Норма осушения в лесу весной 0,2…0,3 м, летом – 0,3…0,5 м. Средняя за вегетацию норма осушения (аср) для разных угодий составляет: – лес на переходных болотах – 0,4…0,5 м; – болотный сосняк – 0,6…0,75 м; – культурный луг, лесопитомник – 0,7…1,0 м. Допустимое весеннее затопление лесных культур: – дуб, клён, ясень – до 25 сут; – тополь – до 50 сут; – ольха, ива – до 60 сут. 66 Осушение переувлажнённых земель в лесах для организации подсобных хозяйств, садоводческих кооперативов, личных участков и огородов работников лесных хозяйств проводят по нормативам с.-х. мелиорации. Осушение лесов преобладает самотёчное. Таблица 11 Нормы осушения Тип леса, болота Сосняк сфагновый Кустарник сфагновый Березняк долгомошный Ельник травяносфагновый Норма осушения, см среднерасчётная вегетационная Московская область (север) Сосна 15 33 12 Сосна 65 42 29 Ель 30 64 32 Главная порода Возраст, лет Ель 60 32 14 Вологодская область (запад) Сосняк по переходным болотам Осоко-сфагновое болото Сосна 50 54 31 Сосна 85 62 25 Особое внимание при осушении следует уделять семечковым садовым деревьям с глубокой корневой системой. Яблоневые сады (глубина корневой системы до 2…3 м) чувствительны к оглеению почв и их заболоченности. Наличие оглеения, что бывает при периодическом избыточном увлажнении (на глубине 1,2…3 м), при прочих благоприятных условиях делает данную площадь непригодной для семечкового сада. Для сливы, вишни, крыжовника слабое оглеение допустимо на глубине не выше 1,5 м; для чёрной смородины и малины – не выше 1,0 м. Особенно опасно затопление корней в летний период на фоне активной вегетации, когда в застойной тёплой воде резко снижается содержание растворимого кислорода. Подъём УГВ ранней весной (до распускания почек) и поздней осенью (после завершения вегетации) не представляет серьёзной опасности. При посадке плодовых деревьев (семечковых) УГВ = 1,5…2,0 м. В дальнейшем норму осушения следует поддерживать в вегетационный период на уровне 2 м (яблоня), для крыжовника – 1,5 м, земляники – 0,6…0,7 м. Особенно неблагоприятные условия наблюдаются в переувлажнённых западинах. 67 5.4.5. Глубина заложения дрен Глубину заложения дрены рассчитывают по формуле (29) (рис. 26): b = а + h + dв + β ⋅ bmin , (29) где b – средняя глубина заложения дрены, м; а – норма осушения к концу расчетного периода, м; h – прогиб кривой депрессии, м; dв – внешний диаметр дренажной трубки с учетом слоя фильтрующей засыпки, м; β · bmin ‒ величина осадки осушаемого слоя почвы, м. a b α h dвн B Рис. 26. Схема для расчёта глубины заложения дрен Прогиб кривой депрессии зависит от гранулометрического состава грунтов: для средних суглинков h = 0,2…0,3 м; для тяжелых суглинков h = 0,3…0,4 м; для низинного торфа h = 0,2…0,25 м. Прогиб кривой депрессии (h) можно принять: для песчаных грунтов – 0,1…0,2; средних суглинистых – 0,2…0,3; глинистых и тяжелых суглинистых – 0,4…0,5; низинных торфяных – 0,2…0,5 м. Величина осадки зависит от запасов органических веществ в осушаемом слое почвы. Коэффициент уплотнения осушаемого слоя для песчаных грунтов равняется 0,01…0,05; суглинистых – 0,05…0,1; глинистых – 0,05…0,01; низинных слаборазложившихся торфяных – 0,4…0,5; среднеразложившихся торфяных – 0,2…0,4. В рассматриваемом примере необходимо осушить участок, на котором почвы представлены торфом мощностью hт = 0,6 м, подстилающие грунты – средний суглинок. Пример. Дано: а = 0,6 м; hт = 0,6 м; d = 0,1; β = 0,2. Определяем: β ⋅ hт = 0,020 ⋅ 0,5 = 0,10 м; hт = 0,2 – 0,3, примем h = 0,3. Глубину заложения дрены рассчитываем по выражению b = а + h + dв + βbmin = 0,6 + 0,3 + 0,1 + 0,15 = 1,15 м, где βbmin – величина осадки осушаемого слоя почвы будет складываться из осадки торфа и подстилающего среднего суглинка, исходя из средней глубины заложения дрены (1 м): βbmin = βт ⋅ bт + βс.с. ⋅ bс.с = 0,2 ⋅ 0,6 + 0,07 ⋅ 0,4 = 0,15 м. Следовательно, расчётная глубина дрены b = 1,15 м. 68 (30) 5.4.6. Расчет притока воды к дрене Приток воды к дрене за расчетный период определяется по формуле q = mс/tc , м/сут, (31) где mс – избыточный слой воды, м. Избыточный слой воды, подлежащий отводу с поверхности и из расчетного слоя почвы, определяют по формуле mс = Hв + а · δ/2 + Ос – е tе , (32) где Hв ‒ слой воды, оставшийся на поверхности почвы в микропонижениях после снеготаяния или схода паводковых вод. При организованном поверхностном стоке Hв = 0,001…0,03 м. Принимаем Нв = 0,02 м; а – норма осушения к концу расчетного периода, м. Для предпосевного периода а = 0,6 м; δ ‒ коэффициент водоотдачи; Ос – сумма атмосферных осадков, выпавших за расчетный период, м; е – интенсивность испарения, м/сут, за время tе; tе – расчетный период, т.е. время, за которое необходимо отвести избыточную воду, сут, te = 10–15 сут. Для расчета принимаем tе = 10 cут. Примем, что Ос = е te , тогда mс = Hв + а ⋅ δ/2, м, mс = 0,02 + 0,6 · 0,168/2 = 0,07 м, q = 0,07/10 = 0,007 м/сут. 5.4.7. Расстояние между дренами Для расчета расстояния между дренами существует большое количество различных формул. Если грунты однородные, а грунтовое питание ненапорное, то формулу для расчета расстояния между дренами выбирают в зависимости от глубины заложения водоупора (рис. 27). При В/Т > 3 расчет следует вести по формуле С.Ф. Аверьянова: B = 2H α= Kф q ⋅ (1 + 2HT ) ⋅ α , 1 2Е 1+ 2 , 94 lg 1πd И sin (33) . (34) 2T При В/Т < 3 следует принимать формулу А.Н. Костякова: π ⋅K ⋅H B = q⋅(2.3lgф⋅ B −1) d 69 , (35) а при Т = 0 – формулу Я. Ротэ: B = 2H Kф q . (36) В этих формулах: В – расстояние между дренами, м; Н – среднее превышение горизонта грунтовых вод между дренами над уровнем воды в дрене за расчетный период, м; Т – расстояние от дрены до водоупора, м; Кф – коэффициент фильтрации, м/сут; q – средний за расчетный период приток воды к дрене, м/сут; d – расчетный диаметр дрены, принимаемый равным внешнему диаметру фильтрующей обсыпки или внешнему диаметру дрены (при отсутствии обсыпки), м; α – коэффициент несовершенства дренажа, α = 0,1…0,9. Примерное расстояние между дренами принимают для песка 30…35 м, супеси – 20…25 м, легкого суглинка – 15…20 м и торфа – 15…30 м. Для торфяного и среднесуглинистого грунта В = 15…30 м. Если принять В = 30 м, Т = 8, тогда В/Т = 30/8 , т.е. больше 3, следовательно, расстояние между дренами рассчитываем по формуле (33). Средняя глубина дрен в торфяном грунте по расчету b = 1,15 м, а – норма осушения, а = 0,6 м, тогда Н = b – 0,6 · а, м, Н = 1,15 – 0,6 ⋅ 0,6 = 0,79 м; Т = 8 м; Кф = 0,14 м/сут; q = 0,007 м/сут; α = 0,9. Подставляя в формулу (33) цифровые значения величин, получим B = 2 ⋅ 0,79 ⋅ 0,14 0, 007 ( (37) ) ⋅ 1 + 02,×798 ⋅ 0,9 = 31м Расстояние между дренами принимаем В = 31 м, тогда В/Т = 31/8 = 3,9, следовательно, расчетная формула выбрана правильно. 70 ▼УГВ до осушения 0,6a a b h H B T Рис. 27. Расчётная схема для определения расстояния между дренами 5.4.8. Гидравлический расчёт элементов осушительной сети Цель гидравлического расчета – определение диаметров дренажных труб. Расчет ведется по формуле Шези (38), при условии, что дренажные трубы работают полным сечением: Q = ω ⋅C R ⋅i , (38) где Q – расход воды, м3/с; С – скоростной коэффициент, С = f(n), n – коэффициент шероховатости, для гончарных труб n = 0,012; R – гидравлический радиус, для круглых труб R = d/4, м; i – уклон трубы; ω – площадь поперечного сечения трубы, м2. ω = πd2/4 , м2, (39) где d – диаметр трубы, м. В практике проектирования принимают, что диаметр дрен, работающих в режиме осушения, равен 5 см. Гидравлический расчет производят с целью проверки пропускной способности для принятых уклонов. В зависимости от уклона и диаметра дрен расход можно определить по табл. 12. При минимальном уклоне 0,002 и диаметре 5 см расход в устьевой части дрены Q = 0,39 л/с. Приток воды к дрене можно определить по формуле Q д = qм · ωд , (40) где ωд – площадь, осушаемая одной дреной, га; qм – максимальный модуль стока в расчетный период, л/с ⋅ га; qм = 116 · q n , (41) ωд = lд · B/10000 , (42) где lд – длина дрены, м; B – расстояние между дренами, м. 71 Пример. Дано: lд = 150 м; B = 31 м; q = 0,007 м/сут. Требуется определить расход воды, проходящей через дрену. qм = 116 ⋅ q = 116 ⋅ 0,007 = 0,81 л/с ⋅ га, ωд = 150 ∙ 31/10000 = 0,465 га, тогда Qд = 0,81 ∙ 0,465 = 0,38 л/с. Расход воды, поступающей в дрену, равен 0,38 л/с, а пропускная способность дрены диаметром 5 см при уклоне 0,002 – 0,39 л/с (табл. 12), следовательно, можно считать, что принятый диаметр дрен и расстояние между дренами обеспечивают достаточный отток грунтовых вод с осушаемой территории. Гидравлический расчет коллекторов производят путем изменения их поперечного сечения по длине, а также при сопряжении коллекторов разного порядка. Диаметр коллекторных трубок подбирают для каждого участка, начиная от истока коллектора к его устью. По мере увеличения обслуживаемой коллектором площади расход воды по нему возрастает, поэтому необходимо использовать коллекторные трубы разных диаметров. Стандартные диаметры керамических труб для коллекторов: 10; 12,5; 15; 17,5; 20 и 25 см и т.д. (табл. 12). Таблица 12 Пропускная способность (л/с) гончарных труб Уклоны (i) Диаметр гончарных труб, см 0,002 0,003 0,004 0,005 5,0 0,39 0,48 0,55 0,62 7,5 1,16 1,42 1,60 1,84 10,0 2,50 3,08 3,54 3,96 12,5 4,71 5,72 6,59 7,43 15,0 7,45 9,15 10,47 11,47 17,5 11,02 13,68 16,10 17,57 20,0 15,94 19,50 22,60 25,20 25,0 28,90 35,40 41,71 45,60 Длину коллектора минимального диаметра 10 см (или любого следующего диаметра по сортаменту) определяют по зависимости ln = Qк · Bд/Qд , (43) где Qк – пропускная способность коллектора принятого диаметра и известного уклона, л/с (см. табл. 12). Принятая длина первого участка будет совпадать с расчетной, т.е. L1 = l1. На следующем расчетном участке коллектора, согласно сортаменту, принимают больший диаметр – 12,5 см и повторяют расчет с целью определения длины коллектора. Принятую длину этого участка определяют по зависимости Ln = ln ‒ ln-1 . 72 (44) В такой последовательности продолжают расчет по мере возрастания водосборной площади до устья коллектора. Порядок подбора диаметров коллекторных труб следующий. На плане осушаемого участка (рис. 19, 20) определяют уклоны коллекторов. Они равняются 0,003; 0,004; 0,005. Пример. Уклон первого коллектора на первом поле i = 0,003, длина его Lк = 1000 м. По таблице 12 пропускная способность его при dк = 10 см равняется Qк = 3,08 л/с. Расход воды, поступающей в дрену, Qд = 0,38 л/с. Расстояние между дренами В = 31 м. Определяют длину участка коллектора № 1 диаметром dк = 10 см; 12,5 и т.д., пользуясь зависимостью (43): ln = Qk ⋅ B/Qд = 3,08 ⋅ 31/0,38 = 251 м. Для второго участка: dк2 = 12,5 см, Qк2 = 5,72 л/с. тогда l2 = 5,72 ⋅ 31/0,38 = 467 м, L2 = l2 – l1 = 467 – 251 = 216 м. Для третьего участка: dк3 = 15 см, Qк3 = 9,15 л/с. l3 = 9,15 ⋅ 31/0,38 = 747 м. L3 = l3 – l2 = 747 – 467 = 280 м. В такой последовательности производится расчет коллектора, имеющего самую большую длину с принятым уклоном 0,003, пока его расчётная длина ln не превысит истинную длину Lкол = 1000 м (рис. 28, табл. 13). В данном случае l4 = 13,65 ⋅ 31/0,38 = 1113 м, что > Lкол = 1000 м. Следовательно, расчётный четвертый участок коллектора будет иметь следующую длину: L4 = Lкол – l3 = 1000 – 747 = 253 м. Таблица 13 Сводная таблица расчетов коллекторов Диаметр коллектора d, см 10,0 12,5 15,0 17,5 Длина коллектора, м Расход воды коллектора Q, с принятым расчетная ln л/с диаметром Ln 3,08 5,72 9,15 13,65 251 4,67 747 1113 251 216 280 253 Σ1000 73 Кол-во коллекторов, шт. 4 4 4 4 Общая длина труб принятого диаметра, м 1004 864 1120 1012 В результате таких подсчетов получают сведения об общей требуемой длине коллекторных труб разных диаметров. Lk дрены L1 l1 коллектор L2 L3 L4 l2 l3 l4 L5 l5 Рис. 28. Сопряжение дрен с коллектором 5.4.9. Глубина и вертикальное сопряжение элементов осушительной сети При вертикальном сопряжении каналов, коллекторов и дрен следует соблюдать условие бесподпорной работы каждого элемента сети в расчетные периоды, так как в это время наполнение их соответствует расчетным расходам. Глубину магистрального канала и сопряжение его с водоприемником увязывают с минимально допустимой глубиной заложения коллекторов и проводящих каналов, наиболее удаленных дрен, а также с допустимыми перепадами и расчетной глубиной воды в открытых водотоках. При этом соблюдаются следующие условия: – сопряжение открытых водотоков – дно младшего соответствует отметке уровня воды в старшем канале. Устья закрытых коллекторов должны быть на 0,15…0,20 м выше уровня воды в канале или на 0,5 м выше дна гидравлически не рассчитываемого канала; – глубину траншеи закрытого коллектора в его истоке принимают больше глубины дренажной траншеи на величину его внешнего диаметра; – уклоны элементов осушительной сети, кроме рельефа осушаемой площади, лимитируются разностью отметок между отметкой поверхности земли над истоком наиболее удаленной дрены и уровнем воды в водоприемнике. Пример расчета глубины заложения элементов осушительной сети. Дано: средняя глубина дрены b = 1,1 м; минимально допустимая глубина дрены bд.min = 0,7 м; минимально допустимый уклон дрены iд = 0,002; уклон кол74 лектора iк = 0,0015, длина дрены lдр = 150 м. Уклон поверхности земли по трассе дрены составляет 0,001. Уровень воды в р. Лихоборке на 2,2 м ниже берега. Если поверхность земли по трассе дрены имеет уклон не меньше допустимого ( > 0,002), то дрену проектируют параллельно поверхности земли, тогда глубина дрены в истоке равна глубине дрены в устье и соответственно расчетной глубине заложения дрены: bист = bуст = b . В случае, если i < 0,002, дрену проектируют с искусственным уклоном, т.е. глубина дрены в истоке и устье будет отличаться от расчетной глубины на величину ∆ (рис. 29): ∆ = (iтр – iм)lдр /2 , (45) где iтр ‒ требуемый уклон, т.е. iтр = 0,002; iм ‒ уклон местности, который равен 0,001, следовательно, ∆ = (0,002 ‒ 0,001)150/2 = 0,075 м. l/2 b max b cp ∆ l/2 b min i = 0.002 Рис. 29. Глубина заложения дрены а) в истоке bmin = b – ∆ = 1,1 – 0,075 = 1,02 м; б) в устье bmax = b + ∆ = 1,1 + 0,075 = 1,18 м. bд bk dk t Рис. 30. Глубина заложения коллектора а) в истоке bк.min = bmax + dк.вн = 1,18 + 0,12 = 1,30 м, (46) dк.вн = dк + 2t = 0,10 + 2 ⋅ 0,1 = 0,12 м (дрена с коллектором соединяется внахлестку), где t – толщина стенки коллектора. б) в устье bк.max = bmax + Lкn ⋅ iк . (47) 75 В случае, если iм < iтр , iк = (iтр – iм), где iтр – требуемый уклон коллектора, равный 0,002; iм – уклон местности по трассе коллектора. iм = (∇ист ‒ ∇уст)/Lкол = (103,5 – 98,8)/1000 = 0,0047 > 0,002 . (48) Так как уклон местности по трассе коллектора iм > iтр , то коллектор можно запроектировать параллельно поверхности земли, тогда глубина коллектора в устье будет: bк. max = bmax + dк. max = 1,18 + 0,225 = 1,40 м, dк. max = dmax + 2tmax = 0,175 + 2 · 0,025 = 0,225 м, где dmax – максимальный диаметр коллектора, м (табл. 13); tmax – толщина стенки коллектора соответствующего диаметра, м. коллектор z bk max h Рис. 31. Сопряжение коллектора с магистральным каналом При сопряжении коллектора с магистральным каналом устье его должно быть выше дна магистрального канала в его истоке на 0,5…0,7 м. Глубина магистрального канала (рис. 31): bмк = bк.max + Z + h = 1,53 + 0,2 + 0,3 = 2,03 м, (49) где Z = 0,2 м, h = 0,3 м. Отметка дна магистрального канала в истоке 98,8 – 2,03 = 96,77 м. Рис. 32. Сопряжение канала с водоприёмником Отметку дна магистрального канала в его истоке соединяют с отметкой уровня воды в р. Яхроме и определяют уклон дна магистрального канала (Я-3). 76 Он должен быть больше минимально допустимого (i = 0,0005). В данном случае уклон больше 0,0005. Поэтому на продольном профиле следует нанести дно магистрального канала параллельно поверхности земли (рис. 31). 5.5. Проектирование открытой осушительной сети Осушительной системой называется комплекс инженерных гидротехнических сооружений, обеспечивающих создание оптимального водного режима на переувлажненных землях. Осушительная система состоит из регулирующих (открытых осушителей), проводящих (открытых собирательных) и оградительных каналов, водоприемников, гидротехнических сооружений, противопожарных водоемов и дорожной сети. Существует несколько методов определения расстояния между осушителями: 1. Гидрологический метод основан на скорости понижения уровня грунтовых вод на требуемую глубину за определенное время. 2. Лесоводственный метод определения расстояния между осушителями основан на выявлении изменения влияния осушения на рост леса по мере удаления от каналов. 3. Технико-экономический метод определения расстояния между осушителями выявляет наибольшую рентабельность средств, вкладываемых в осушение. 4. Комплексный метод предлагает определять расстояние на основе всех вышеизложенных методов или их части (табл. 14). Понижение уровня грунтовых вод на осушенных землях определяется не только отводом воды осушительными каналами, но и расходом влаги на суммарное испарение. Величина испарения сильно меняется в различных зонах, увеличиваясь с севера на юг. Поэтому территория Российской Федерации разделена на девять климатических зон (табл. 15). Таблица 14 Расстояния между осушителями (рекомендуемые) Группа типов Глубина Расстояние между Подстилающий грунт леса торфа, м осушителями, м 1 2 3 4 Сосняки, ельники, смешанные леса в условиях низинного и начальной стадии переходного заболачивания 0,3…0,6 170…190 Глины, суглинки Болотно0,6…1,0 190…210 Глины, суглинки широкотравные, 0,3…0,6 240…260 Супеси и мелкозернистые пески 0,6…1,0 220…240 разнотравные, 0,3…0,6 270…290 Пески средние и мелкозерниосоково0,6…1,0 240…260 стые тростниковые 1,0 210…230 Торф 77 Продолжение табл. 14 Осоковосфагновые, тростниково-сфагновые 0,3…0,6 Глины, суглинки 0,6…1,0 Глины, суглинки 0,6…1,0 Супеси и мелкозернистые пески 0,6…1,0 Пески средние и мелкозернистые 1,0 Торф Сосняки, ельники, смешанные леса в условиях низинного и начальной стадии верхового типов заболачивания 0,3…0,6 Глины, суглинки 0,6…1,0 Глины, суглинки 0,3…0,6 Супеси и мелкозернистые пески Долгомошниково0,6…1,0 сфагновые 0,3…0,6 Пески средние и мелкозернистые 0,6…1,0 1,0 Торф Долгомошниково0,3…0,6 Глины, суглинки сфагновые 0,6…1,0 Глины, суглинки Сфагново0,3…0,6 кустарничковые Супеси и мелкозернистые пески 0,6…1,0 0,3…0,6 СфагновоПески средние и мелкозернистые пушицевые 0,6…1,0 1,0 Торф Сосняки V‒Va классов бонитета с зольностью торфа более 3% Сфагновые 1,0 Торф 150…170 170…190 190…210 160…180 170...200 150…170 170…190 190…210 160…180 210…230 180…200 170…200 130…150 140…160 150…170 130…150 160…180 150…170 140…160 100…110 Зональные коэффициенты для определения расстояний между осушителями Номер зоны I II III IV V VI VII VIII IX Республика, область Мурманская обл., северная часть Архангельской обл., северная часть Карелии Архангельская обл. южнее Полярного круга, северная часть Республики Коми, южная часть Карелии (южнее 64° с.ш.) Ленинградская, Вологодская обл., северная часть Кировской и Пермской обл., Республика Коми Новгородская, Ярославская, Ивановская, Костромская, северная часть Тверской и Нижегородской обл., южная часть Кировской обл. Псковская, Смоленская, Московская, Владимирская, Рязанская обл., южная часть Тверской и Нижегородской обл. и др. Брянская, Орловская, Калининградская обл., Татарстан, Башкирия Белоруссия, юг Томская, Омская, Кемеровская, Новосибирская, Свердловская обл., южная часть Тюменской обл. Челябинская, Курганская обл., Удмуртия 78 Таблица 15 Поправочные коэффициенты 0,55…0,60 0,60…0,70 0,70…0,85 0,90…0,96 1,00 1,10…1,20 1,25…1,50 0,80…0,90 1,00…1,10 5.5.1. Проектирование регулирующей сети Поперечный профиль осушителей. Правильный выбор поперечного сечения каналов в значительной степени обеспечивает сохранность осушительной сети. Поперечный профиль характеризуется глубиной канала (табл. 16), шириной дна и заложением откоса (рис. 33, табл. 17). Для обеспечения механизации работ и в связи с небольшими расходами воды каналы регулирующей сети обычно устраивают трапецеидальной формы. Откосы являются наиболее важным элементом поперечного профиля каналов. Крутизну откосов выражают через коэффициент, который вычисляют по формуле m = d/h` , (50) где m – коэффициент заложения откоса; d – заложение откоса (проекция откоса на горизонтальную плоскость); h` – высота откоса. Рис. 33. Коэффициент заложения откоса Коэффициент откоса определяют по углу естественного откоса грунта, который зависит от связности частиц грунта и их влажности. Таблица 16 Глубина каналов Грунт Глина (фракции размером 0,005 мм, 33%) Суглинок: легкий средний тяжелый Супесь Плывун Песок: среднезернистый (фракции размером 0,25 мм, менее 80%) Осушители Глубина проводящих и огВодоприемнирадительных каналов, м ки 0,8…1,5 более 1,5 0,75…1,00 1,00…1,25 1,25 1,25…1,50 1,25…1,50 1,50 1,50…1,75 1,75…2,00 1,00…1,25 1,00 1,50 2,00 1,25 1,00…1,25 1,50 2,00…2,50 1,25…1,50 1,25…1,50 1,50…1,75 2,25…3,00 1,75…2,00 1,50…1,75 1,75…2,00 2,75…3,00 1,50 1,50…1,75 1,75…2,00 2,00…2,50 79 Продолжение табл. 16 крупнозернистый Торф осоковый: слаборазложившийся хорошо разложившийся Торф сфагновый: слаборазложившийся хорошо разложившийся Торф древесный: слаборазложившийся хорошо разложившийся 1,25…1,50 1,50…1,75 1,50…2,00 2,00…2,25 0,50 0,75 0,50…0,75 0,75…1,00 0,75…1,00 1,00…1,25 1,00…1,25 1,25…1,50 0,50 0,75 0,50…0,75 0,75…1,00 0,75…1,00 1,00…1,25 1,00…1,25 1,25…1,50 1,00 1,00…1,25 1,00 1,25…1,50 1,00…1,25 1,50…1,75 1,25…1,50 1,50…1,75 На осушение болот влияет также и степень разложения торфа. По степени разложения торф подразделяется (в скобках указывается величина степени разложения) на слаборазложившийся (до 25%), среднеразложившийся (25…45%), сильноразложившийся (более 45%). Ширина по дну осушителей принимается без расчёта и равна 0,3 м. При осушении неглубоких торфяников осушители, если дно их располагается на границе торфа и подстилающего грунта, следует заглублять на 0,1…0,2 м в минеральный грунт, подстилающий торф (табл. 17). Ловчие каналы при глубине водоупора не более 2,5…3,0 м должны врезаться в водоупорный горизонт. Таблица 17 Минимальная глубина осушителей Мощность торфа 0,1…0,5 0,6…1,3 Более 1,3 Проектная глубина осушите- Минимальная установивля, слои с учетом осадки шаяся глубина осушителей, торфа до 25%, м м 0,9…1,0 0,8…0,9 1,1…1,2 1,0 1,3…1,5 1,2 Самозакрепление откосов каналов. С течением времени откосы каналов зарастают травянистой, кустарниковой и древесной растительностью. Для сохранения устойчивости откосов при ремонте каналов следует производить очистку дна и нижней части откоса на высоту уровня бытовых вод. Древесную и кустарниковую растительность удаляют только на верхней части откосов и берегах каналов. Корни древесно-кустарниковой растительности и дернина травянистой растительности способствуют устойчивости откосов. Крепление откосов. Откосы укрепляют жердями, хворостом, железобетоном. Крепление требует значительных затрат, поэтому на проводящей 80 сети его применяют, как правило, в случаях, когда другие вышеназванные способы не обеспечивают сохранности откосов каналов. В лесном хозяйстве чаще применяют жердяное, хворостяное, реже фашинное крепление. 5.5.2. Проектирование проводящей сети 5.5.2.1. Гидрологический расчёт Гидрологические расчеты проводят для вычисления расчетных модулей стока, необходимых для определения размеров поперечных сечений водоприемников, каналов проводящей сети (магистральных и собирателей) и сооружений. При гидрологических расчетах устанавливают также модули стока для поверочных расчетов каналов на устойчивость против размыва и заиления и проверки сооружений на пропуск воды. Рис. 34. Осушение лесных земель где q – максимальный модуль поверхностного стока с единицы водосборной площади, м3/с · км2 в расчётный период; F – площадь водосбора, км2. При осушении лесных земель (рис. 34) гидрологические расчеты проводят для следующих фаз режима стока: весеннего половодья, летне-осенних паводков, меженного периода. Каналы проводящей сети, а также водоприемники рассчитывают на пропуск летне-осенних паводков 25%-й обеспеченности. По модулям стока 25%-й обеспеченности производится проверка таких каналов на устойчивость к размыву. При осушении лесов и зеленых 81 зон проводящие каналы и водоприемники рассчитывают по модулям стока летне-осенних паводков 10%-й обеспеченности. Устойчивость русел каналов на размыв проверяется по модулям стока весенних половодий 25%-й обеспеченности. Проверку каналов на заиление при осушении лесных земель и высоту крепления откосов в неустойчивых грунтах проводят по модулям стока 50%-й обеспеченности. Расчётный расход для каждого периода определяется по общей зависимости: Q = q ⋅ F, м3/с , (51) Уровень воды в канале должен быть на 0,2…0,3 м ниже бровок при пропуске максимального расчётного расхода. Максимальный расчётный расход определяется сравнением летне-осеннего и весеннего расходов. Максимальный модуль стока весеннего половодья qmax можно определять с использованием данных из таблицы 18 по формуле Д.Я. Соколовского: (52) где qmax – максимальный модуль стока м /с · км ; Ас ‒ элементарный модуль максимального стока; n – коэффициент редукции; δ – коэффициент снижения пика половодья: (53) 3 2 где α, β, γ – площади озёр, болот и лесов, % от площади водосбора (табл. 19); а – коэффициент, учитывающий влияния озёрности, 0,9; К – районный коэффициент из таблицы 20. Таблица 18 Расчётные величины для определения модуля стока весеннего половодья Район Обеспеченность, % С Ас, м/с п Северный 25 15 2,04 0,17 Карельский 25 15 1,03 0,2 Центральный 25 10 1,56 0,2 Западные склоны Урала 25 20 1,43 0,16 Восточные склоны Урала 25 10 1,49 0,16 Максимальные модули стока в летне-осенний период вычисляются по той же формуле Я.С. Соколовского (52) с использованием данных таблицы 18. Сравнивая расходы весеннего половодья и летне-осеннего паводка, выбираем наибольшее значение, которое и принимаем в качестве расчётного Qрасч. 82 Таблица 19 Гидрологические характеристики водосборных бассейнов Область, республика Залесённость, γ, % Заболоченность, β, % Заозёренность, α, % Архангельская 80,7 8,5 3,4 Брянская 17,3 0,9 0,7 Владимирская 38 0,5 1,4 Вологодская 58,7 12,6 2,2 Нижегородская 58 1,6 1 Ивановская 38 5 1,4 Тверская 38 5 1,4 Калининградская 34,3 11,2 9,6 Калужская 38 5 14 Кировская 58 1,6 1 Костромская 38 5 1,4 Ленинградская 34,3 11,2 9,6 Московская 38 5 1,4 Мурманская 31,5 8,2 4Д Новгородская 34,3 11,2 9,6 Орловская 17,3 0,6 0,7 Псковская 34,3 11,2 9,6 Пермская 75,1 7,4 1,9 Рязанская 38 5 1,4 Свердловская 75,1 7,4 1,9 Смоленская 38 5 1,4 Тульская 38 5 1,4 Ярославская 38 5 1,4 Карельская 54 17,5 7,9 Пример. Необходимо произвести гидрологический расчёт летнеосеннего и весеннего расхода паводка для условий Тульской области. Площадь водосбора F = 9 км2. 1. Определяют расчётные коэффициенты для условий Тульской области на год 25%-й обеспеченности. По таблице 18 для весеннего половодья находят (Центральный район): элементарный модуль максимального стока Ас = 1,56 м/с; коэффициент модуля стока половодья С = 10. По таблице 20 для 83 летне-осеннего паводка (Тульская область): элементарный модуль максимального стока Ас = 0,51 м/с; коэффициент модуля стока половодья С = 10. 2. По таблице 18 определяют коэффициент редукции n = 0,2; по таблице 20 – районный коэффициент половодья К = 1, общие для весеннего и летнеосеннего паводка. По таблице 19 определяют процент заозёренности (α), заболоченности (β) и залесённости (γ) территории. Для Тульской области данные показатели составляют соответственно: α = 1,4%, β = 5,0% и γ = 38,0%. 3. Определяют коэффициент снижения пика половодья: δ = 1 – 1 ∙ lg (0,9 ∙ 1,4 + 0,1 ∙ 5,0 + 0,05 ∙ 38,0 + 1) = 1 – 1 ∙ lg 4,66 = 0,34. 4. Определяют максимальный модуль стока весеннего половодья: qвес = 1,56/(9 + 15)0,2 = 1,56/1,88 = 0,83 м3/с · км2. 5. Определяют максимальный модуль стока летне-осеннего половодья: qлет-.ос. = 0,51/(9 + 15)0,2 = 0,51/1,88 = 0,27 м3/с · км2. 6. По вычисленным модулям стока и площади водосбора находят максимальный расчётный расход, который определяется сравнением летнеосеннего и весеннего расходов: Qвес. = 0,83 м3/с · км2 × 9 км2 = 7,47 м3/с, Qос.-лет. = 0,27 м3/с · км2 × 9 км2 = 2,43 м3/с. Сравнивая полученные расходы, принимаем в качестве расчётного расхода – весенний (Qрасч. = Qвес. = 7,47 м3/с), который будет учитываться при проведении гидравлического расчёта открытой сети. Таблица 20 Расчет величин для определения модуля стока летне-осеннего паводка Область, республика Мурманская Карелия Архангельская Вологодская Коми Ленинградская Московская Псковская Новгородская Кировская Пермская Удмуртия Свердловская Обеспеченность, % С Ас, м/с К 25 15 0,46 0,7 25 10 0,54 0,8 25 10 0,51 1 25 10 0,57 1 25 10 0,63 1 84 5.5.2.2. Гидравлический расчёт открытого канала Целью гидравлического расчёта является установление параметров поперечного сечения канала для обеспечения пропуска требуемого расхода. Расчёт ведётся по вышеупомянутой формуле Шези (38): (54) Q = ω ⋅ v, м3/с, где ω – площадь поперечного сечения, м2 (ω = (b + m ⋅ h) ⋅ h); v – скорость течения воды, м/с. Допустимая скорость движения воды в каналах. Вода в незакрепленных руслах каналов, взаимодействуя при движении с дном и стенками (откосами) каналов, разрушает их, захватывает частицы грунта и транспортирует их, перемещая в придонном слое во взвешенном состоянии. Скорость течения воды, при которой происходит постоянное движение частиц грунта, называется размывающей скоростью. Частицы грунта, образовавшиеся за счет размывания каналов и в процессе смыва с откосов и берегов каналов, образуют твердый сток. В процессе перемещения взвешенные частицы твердого стока при определенных скоростях движения воды могут откладываться в каналах. Скорость движения воды, при которой наносы поддерживаются потоком во взвешенном состоянии, называется незаиляющей скоростью. Таблица 21 Максимально допустимые скорости воды в каналах Грунт Песок: крупный средний мелкий Суглинок: тяжелый средний легкий Торф: сфагновый гипново-осоковый древесный Размер фракций, мм, или степень разложения торфа, % Скорость, м/с 1,0…2,5 (90% от веса) 0,25…1,0 (80%) 0,05…0,5 (80%) 0,60…0,75 0,45…0,60 0,35…0,45 0,01 (35% от веса) 0,01 (22%) 0,01 (17%) 0,70…1,30 0,60…1,00 0,50…0,70 55 55 70 0,65…0,75 0,86…0,90 0,40…0,45 Примечание. Минимальные скорости принимаются равными 0,2…0,4 м/с. Проектируя осушительные системы, необходимо принимать скорости течения выше незаиляющих и ниже размывающих (табл. 21). При гидравлических расчетах каналов рекомендуется принимать определенные максимально допустимые скорости (гидравлические расчеты проводят для определения размеров поперечных сечений регулируемых водоприемников и проводящих каналов). 85 Поперечные сечения регулирующих каналов (осушителей и др.) принимают без расчета, устанавливая необходимую глубину и ширину по дну 0,3 м с необходимыми коэффициентами откоса (табл. 22). При гидравлических расчетах по расходам воды заданной обеспеченности подбирают поперечное сечение каналов, способных пропускать необходимые расходы воды (рис. 35). Расчет пропускной способности воды производится при ее уровне на 0,2…0,3 м ниже бровки канала. При осушении парков и лесопарков положение расчетного горизонта принимают равным 0,4…0,5 м ниже бровки. Каналы рассчитывают на пропуск воды после осадки торфа. В качестве расчётного расхода в курсовом проекте принимаем Qрасч., который был определён гидрологическим расчётом. Таблица 22 Коэффициенты откосов вала и канавы Коэффициент откосов вала канавы m1 m2 1,0 1,0…1,5 1,5 1,5…2,0 2,0 1,7…2,3 2,0 2,0…3,0 Грунт Щебнистый Глины Суглинки Супеси Ширина канала по верху определяется по формуле (55) где b – ширина канала по дну; m – коэффициент заложения откоса (табл. 22); h – глубина канала (табл. 17). Рис. 35. Поперечное сечение канала и его параметры Определим площадь живого сечения потока по формуле . (56) Ширина канала по дну определяется подбором. Начальная ширина канала по дну задаётся 0,4 м, что является минимальным значением. Определим скорость потока по формуле (57) где С – скоростной коэффициент; R – гидравлический радиус; i – гидравлический уклон, который принимается равным среднему уклону дна канала. 86 Определим гидравлический радиус по формуле (58) где χ – смоченный периметр: χ = b + 2h ⋅ 1 + m 2 (59) . Скоростной коэффициент находят по формуле С = 1/n + 17,72 ∙ lg R , (60) где n – коэффициент шероховатости (приложение 9), равный 0,03 при расходе 1…25м3 /с и 0,035 при расходе меньше 1 м3/с. Проверяем выполнение условия Qрасч. ≈ ω ⋅ v (допустимы расхождения не более 5%). Если условие не выполняется, то повторяем расчёт, изменяя параметры поперечного сечения канала (при этом b не может быть менее 0,4 м). При больших уклонах для уменьшения скорости движения Рис. 36. Шлюз-регулятор воды устраивают перепады или быстротоки. Пример. Почвы участка и подстилающие грунты характеризуются среднесуглинистым гранулометрическим составом. Средний уклон склона по трассе канала составляет 0,003. Необходимо рассчитать параметры открытого канала для обеспечения пропуска весеннего паводка (Qрасч. = Qвес. = 7,47 м3/с). Гидравлический расчёт открытого канала должен быть проведён так, чтобы, обеспечивая пропуск максимального расхода, поперечное сечение канала обеспечивало наименьшие затраты по его строительству (минимально возможный объём земляных работ). Расчёт пропускной способности канала должен проводиться с учётом обеспечения уровня воды при максимальном расходе на 0,2…0,3 м ниже бровки. 1. Учитывая гранулометрический состав грунтов и пользуясь данными таблиц 22 и 16, а также принимая ширину канала по дну b = 0,4 м, определяем смоченный периметр: χ = b + 2h ⋅ 1 + m 2 87 . где b – ширина канала по дну, м (0,4 м); m – коэффициент заложения откоса, m = 2; h – глубина воды в канале, м (h = h` – Δh); h` – глубина канала, м (1,25 м); Δh – превышение бровки канала над уровнем воды (строительный запас), м (0,3 м). χ = 0,4 + 2 ⋅ 0,95 ⋅ 1 + 2 2 = 4,65 м. 2. Определяем площадь поперечного сечения: ω = (b + m ∙ h) ∙ h , ω = (0,4 + 2 ∙ 0,95) ∙ 0,95 = 2,95 м2. 3. Находим гидравлический радиус как отношение площади поперечного сечения (ω) к смоченному периметру (χ): R = ω/χ , R = 2,95/4,65 = 0,63 м. 4. Вычисляем скоростной коэффициент: С = 1/n + 17,72 ∙ lg R , где n – коэффициент шероховатости стенок и дна канала, который при Qрасч = 1 – 25 м3/с принимают n = 0,03. С = 1/0,03 + 17,72 ∙ lg 0,63 = 29,77. 5. По формуле Шези определяем скорость потока в канале: V = С ⋅ 1 + m2 , где i – средний уклон проектируемого канала (i = 0,003). V = 29,77 ⋅ 0,63 ⋅ 0,003 = 1,29 м/с. Скорость воды в канале V = 1,29 м/с, что не соответствует требуемым параметрам скоростей для среднесуглинистых грунтов (табл. 21), т.е. скорость потока выше размывающей. 6. Находим теоретическую пропускную способность канала с учётом требуемого уклона i = 0,003 и полученной скорости потока V = 1,29 м/с: Qгидравл. = ω ∙ V, м3/с, (61) 3 Qгидравл. = 2,95 ∙ 1,29 = 3,81 м /с. Вывод: теоретическая пропускная способность канала Qгидравл. = 3,81 м /с, что меньше расчётного расхода Qрасч. = 7,47 м3/с. Это говорит о том, что параметры поперечного сечения подобраны неправильно и канал не сможет пропустить весенний паводок. В этом случае необходимо изменить размеры канала: углубить его, увеличить ширину по дну и/или коэффициенты заложения откосов до тех пор, пока Qгидравл. не будет равно Qрасч. ± 5%. 3 88 7. Определим допустимую пропускную способность открытого канала: Qдоп = Qрасч. ± 0,05 ⋅ Qрасч. , (62) 3 Qдоп = 7,47 ± 0,37 = 7,1…7,84 м /с. 8. Определяем площадь поперечного сечения с учётом допустимого расхода (7,47 м3/с) и требуемой скорости потока (1,0 м/с): (63) ω = Qдоп /V , 2 ω = 7,47/1,0 = 7,47 м . 9. Подбираем глубину воды в канале таким образом, чтобы достичь при помощи расчёта необходимой площади поперечного сечения. Методом подбора определили, что глубина воды в канале должна составлять 1,4 м. Проверяем данное утверждение расчётом площади поперечного сечения: ω = (0,6 + 2,2 ∙ 1,4) ∙ 1,4 = 5,15 м2. 10. Учитывая превышение бровки над уровнем воды в канале 0,3 м, вычисляем глубину воды в канале: h` = h + Δh , h` = 1,4 + 0,3 = 1,7 м. 11. Изменив глубину воды в канале (1,4 м), ширину канала по дну (0,6 м) и коэффициент откоса (2,2), уточняем скорость потока и расход воды в канале: смоченный периметр: χ = 0,6 + 2 ⋅ 1,4 1 + 2,2 2 = 7,37 м; гидравлический радиус: R = 5,15/7,37 = 0,70 м; скоростной коэффициент: С =1/0,03 + 17,72 ∙ lg 0,70 = = 1/0,03 – 17,72 ∙ 0,155 = 33,33 – 1,35 = 30,58; скорость потока в канале: V = 30,58 ⋅ 0,70 ⋅ 0,003 =1,40 м/с; теоретическая пропускная способность: Qгидравл. = 5,15 ∙ 1,40 = 7,21 м3/с. 12. Так как уклон в 0,003 при уточнённых параметрах канала обеспечивает пропускную способность канала Qгидравл. = 7,21 м3/с со скоростью воды V = 1,40 м/с, то, учитывая данные таблицы 21, приходим к выводу о недопустимой скорости воды в канале и необходимости укрепления его откосов. 89 13. Проверяем пропускную способность канала без учёта строительного запаса (Δh = 0,3 м): площадь поперечного сечения: ω = (0,6 + 2,2 ∙ 1,7) ∙ 1,7 = 7,38 м2; смоченный периметр: χ = 0,6 + 2 ⋅ 1,7 1 + 2,2 2 = 8,82 м; гидравлический радиус: R = 7,38/8,82 = 0,84 м; скоростной коэффициент: С = 1/0,03 + 17,72 ∙ lg 0,84 = = 1/0,03 – 17,72 ∙ 0,076 = 33,33 – 1,35 = 31,98; скорость потока в канале: V = 31,98 ⋅ 0,84 ⋅ 0,003 = 1,61 м/с; теоретическая пропускная способность: Qгидравл. = 7,38 ∙ 1,61 = 11,85 м3/с. Вывод: для пропуска расчётного расхода Qрасч. = Qвес. = 7,47 м3/с необходимо запроектировать открытый канал глубиной 1,7 м, с шириной по дну 0,6 м, коэффициентом откосов ψ = 2,2 и уклоном дна канала i = 0,003. Данные параметры будут соответствовать теоретическому расходу Qгидравл. = 7,21 м3/с (без учёта высоты запаса) и обеспечат прохождение максимального весеннего паводка (Qвес. = 7,47 м3/с) в условиях Тульской области с площади водосбора 9 км2 в месте сопряжения канала и водоприёмника. 5.5.3. Построение продольного профиля Составляют профили проводящих каналов (собирателей), на которых отмечают места впадения регулирующих каналов и высотное положение их дна (рис. 37). Последними составляют продольные профили магистральных каналов, на которых также отмечают места впадения и отметки дна впадающих в них каналов. Продольные профили каналов строят по отметкам, взятым с плана пикетажа, разбитого через 100 м по оси каналов. Глубина каналов. В зависимости от назначения каналы осушительной сети устраивают различной глубины. На минеральных грунтах каналы делают глубиной 0,7…0,8 м, на оторфованных землях их глубина зависит от почвенно-грунтовых условий и глубины торфа (табл. 16, 17). 90 № пикета Расстояние между пиОтметка поверхности Отметка дна Уклон дна Глубина канала Почвогрунты Торф осоковый, хорошо разложившийся, глубиной 0,8 м, подстилаемый суглинками Рис. 37. Профильная сетка Глубина воды в каналах регулирующей сети (осушителях) летом не должна превышать 5…10 см. Собиратели устраивают на 10…15 см глубже осушителей, а глубину магистральных каналов принимают на 20…30 см больше глубины транспортирующих собирателей. Необходимость увеличения глубины каналов транспортирующей сети по сравнению с регулирующими каналами объясняется тем, что в меженный период горизонт бытовых вод проводящих каналов не должен подтапливать и затруднять сток воды из регулирующих каналов. В нашем случае на торфяных почвах принимаем глубину открытых осушителей 1,1 м, транспортирующих собирателей – 1,3 м, глубина магистрального канала, исходя из гидравлического расчёта открытой сети, составляет 1,7 м. 5.6. Гидротехнические сооружения на осушительной системе Сооружения на открытой осушительной сети подразделяют на три типа: 1. Дорожно-транспортные (мосты, трубы-переезды, пешеходные мостики). 2. Сопрягающие (перепады, быстротоки, акведуки, дюкеры). 3. Регулирующие (шлюзы-регуляторы). Нa осушительно-оросительной системе должны быть смотровые колодцы, устья коллекторов, трубчатые регуляторы и шлюзы-регуляторы, распределительные колодцы, водовыпуски в открытую и закрытую сеть, концевые сбросы, гидранты, вантузы. На системе могут быть также перепады, быстротоки и т.д. В настоящее время на осушительных системах часто устраивают сооружения из сборных железобетонных конструкций. Однако при осушении 91 отдаленных объектов в труднодоступных местах можно выполнять эти сооружения из древесины. Мосты строят на водоприемниках и крупных проводящих каналах с расходами воды более 2,0…2,5 м3/с. Их устраивают на свайных, рамнолежневых или ряжевых опорах. На водоприемниках целесообразно строить долговечные мосты из сборных железобетонных конструкций (рис. 38). Рис. 38. Мост на магистральном канале В лесу на проводящих каналах в местах пересечения с дорогами строят деревянные мосты. При ширине канала по верху до 4 м строят однопролетные мосты, при ширине от 4 до 8 м – трехпролетные. Устройство мостов с четным числом пролетов нецелесообразно, так как в этом случае возникает необходимость забивки свай в середине канала (по его оси), что нарушает режим движения воды в канале, способствует засорению его влекомыми водой предметами, особенно в период половодий и паводков. Чтобы плывущие по воде предметы не скапливались под мостом, прогоны мостов (балки) должны быть подняты над бровками канала не менее чем на 0,3…0,5 м. Ширина мостов принимается не менее 5…6 м. Трубы-переезды сооружают при расходах воды менее 2 м3/с. Их изготавливают из колец или готовых железобетонных труб диаметром 4…1,2 м. Дно канала в месте укладки трубы тщательно выравнивают с подсыпкой под трубу крупнозернистого песка слоем 30 см. На болотах при глубине торфа до 2 м на месте укладки трубы торф вынимают и вместо него укладывают песок, уплотняя его. При глубине торфа более 2 м трубчатые переезды устраивают на сваях. Если трубу составляют из нескольких секций, стыки их бетонируют, заливают битумом и покрывают рубероидом. На концах труб обязательно ставят оголовки толщиной около 0,4 м. При устройстве трубпереездов на болотах следует применять кислотоупорный бетон. Дно трубы располагают на одном уровне с дном канала или несколько ниже его, чтобы труба не создавала подпора воды. 92 Пешеходные переходные мостики обязательно устраивают в местах пересечения с существующей сетью тропинок. При отсутствии тропинок мостики ставят при впадении осушителей в проводящие каналы, а по каналам – через 200…300 м. Смотровые колодцы (рис. 39) предназначены для регулирования стока, отстоя наносов и сопряжения. Рис. 39. Смотровой колодец По конструкции они делятся на открытые и потайные. Потайные колодцы располагают на 40 см ниже подошвы вспашки. Их закрывают бетонными плитами. Колодцы располагают в минеральных грунтах. В одном колодце сосредоточивают максимум функций, т.е. он может быть и отстойником наносов, и регулятором стока воды из дренажной сети. Устьевые сооружения (рис. 40) располагают в устье коллектора. Для этого в устьевой части коллекторной трубы длиной 5…7 м и керамические трубы заменяют на асбестоцементные (1). Для предупреждения размыва откоса канала его закрепляют дерном, бетоном или другими материалами (2). Трубчатые регуляторы, как правило, устанавливают на осушителях, транспортирующих собирателях младшего порядка. Они предназначены для поддержания рабочего уровня в этих каналах. Трубчатые регуляторы используют и как сооружения дорожной сети. Шлюзы-регуляторы устанавливают в каналах с расходом более 2 м3/с. Они служат для регулирования уровня воды в каналах осушительной сети с целью снижения стока по каналам летом и улучшения увлажнения корнеобитаемой зоны в сухие периоды, а также в противопожарных целях. Противопожарные водоёмы (рис. 19, 20) создают на пониженных участках около осушительного канала, с которым соединяют траншеей глубиной до 0,5 м. Водоёмы (копани) делают глубиной до 2…3 м, шириной по дну 4…5 м. Вместимость водоёма ≥ 100…180 м3. Он заполняется паводковыми водами. Также в противопожарных целях на системе предусматривают шлюзы на каналах проводящей сети и водоподводящие к ним каналы (от рек, озёр). 93 Рис. 40. Устьевое сооружение Гидранты предназначены для присоединения дождевальных машин или насадок к закрытой оросительной сети. Вантузы устраивают на самых высоких точках напорных труб для выпуска воздуха, который скапливается в трубах при подаче в них воды. Сооружения, рассчитанные на пропуск расходов более 5 м3/с, должны быть построены из монолитного бетона, особенно в массивах, где почвы торфянистые, на влагоемких аллювиальных суглинках. Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Основные элементы осушительной системы. От чего зависит глубина заложения дрен? Как определить расстояние между дренами и открытыми осушителями? Чем определяются метод и способ осушения? Правила проектирования регулирующей сети. Какие гидротехнические сооружения проектируют на лесоосушительной системе? Для чего служат шлюзы-регуляторы? 94 Глава 6. РЕГУЛИРОВАНИЕ ВОДНОГО РЕЖИМА ОСУШАЕМЫХ ЗЕМЕЛЬ В данной главе рассматривается графоаналитический способ А.Н. Костякова регулирования влажности почв, который позволяет наиболее точно определить сроки и нормы увлажнений и сбросов избыточных вод для поддержания оптимального водного режима в активном слое почвы. 6.1. Расчет динамики влажности почвы Для регулирования водного режима на системах двустороннего действия составляют хозяйственный план, в котором намечают мероприятия по управлению влажностью почвы в зависимости от погодных условий и требований сельскохозяйственных культур. Для составления таких планов необходимо иметь: схему осушительноувлажнительной сети в масштабе 1 : 10000, почвенную карту, сведения о водно-физических свойствах основных почвенных разностей, схему севооборотов, данные о колебании уровня грунтовых вод и наличии поливной техники, а также месячные прогнозы погоды на текущий год. На основе этих материалов составляют ведомость водного режима для каждого севооборота и оперативный план регулирования водного режима, которые составляют и включают в проект строительства системы. Ведомости водного режима составляют для среднесухого, среднего и средневлажного года по декадам на весь период вегетации. На текущий год ведомость рассчитывают для года, который чаще всего повторяется в конкретных условиях. Динамику влажности почвы и основные мероприятия, связанные с регулированием водного режима, устанавливают на основе подсчета баланса влаги в корнеобитаемом слое почвы с учетом возделываемых культур, свойств почвы, режима грунтовых вод, осадков, температуры воздуха и водопотребления (табл. 24). При составлении ведомости величину расчетного слоя почвы выписывают по декадам, на этот параметр влияет глубина распространения основной массы корней растений, которая, в свою очередь, зависит от нескольких факторов, а главное – от уровня грунтовых вод. Так, при глубине грунтовых вод 1 м корни доходят до зоны полного капиллярного насыщения, т.е. углубляются до 0,7…0,8 м. Кроме того, корневая система различных сельскохозяйственных культур неодинакова. В связи с этим в расчетные периоды величина расчетного слоя почвы может варьировать. В то же время у культур, имеющих одинаковый период вегетации, величина расчетного слоя различается мало. Поэтому все культуры по срокам вегетации желательно объединить в четыре группы. Первая группа – ранние 95 (зернобобовые, капуста ранняя, картофель ранний и др.), период вегетации – 80–90 дней. Вторая группа – средние (картофель поздний, капуста средняя, кукуруза на силос и др.), период вегетации – 100–110 дней. Третья группа – поздние (капуста поздняя, морковь, свекла столовая, сахарная и кормовая и др.), период вегетации – 120–130 дней. Многолетние травы 1-го года посева включают в третью группу. Период их вегетации зависит от сроков посева. Травы 2-го и 3-го года пользования следует выделять в самостоятельную группу, так как уже в начале вегетации они имеют хорошо развитую корневую систему и период вегетации у них значительно больше, чем у всех однолетних культур. Расчетный слой устанавливают по ведущей культуре в группе для данного севооборота. Сведения о водных свойствах основных почвенных разностей берут из проектов строительства системы или их определяют работники гидрогеолого-мелиоративной партии. Для выполнения курсового проекта водные свойства даны на бланке задания. На основе почвенной карты массива отмечают контуры основных разностей. Величину нижнего предела оптимальной влажности устанавливают исходя из хозяйственных условий и отзывчивости растений на поливы. Нижний оптимальный предел (Wmin) для газонных травосмесей в среднем составляет (0,6…0,8) НВ, где НВ – наименьшая влагоемкость, что является синонимом предельно полевой влагоемкости ППВ. Динамику влажности почвы определяют на основе подсчета баланса влаги в корнеобитаемом слое. Расчет водного баланса в верхнем метровом слое, т.е. до глубины заложения дренажа, следует вести по формуле Wк = Wн + ∆W + Р + Ег – Е, (64) где Р – используемые атмосферные осадки, м3/га; Wк и Wн – запасы воды в расчетном слое почвы на конец и начало расчетного периода, м3/га; Ег – подпитывание корнеобитаемого слоя почвы грунтовыми водами, м3/га; Е – водопотребление (расход воды на транспирацию растениями и испарение с поверхности почвы), м3/га; ∆W – запас влаги в слое прироста корневой системы растений, м3/га. Режим орошения включает в себя установление норм, сроков и числа поливов сельскохозяйственной культуры. Он зависит от агротехники, биологических особенностей растений, урожайности, способа и техники полива, почвенно-климатических и организационно-технических условий. В понятие режима орошения сельскохозяйственных культур входит: определение для данной культуры общего водопотребления, оросительной и поливных норм; назначение сроков полива и согласование режима орошения с 96 оросительной нормой; составление графика подачи воды на орошаемый участок и его комплектование. При проектировании оросительной системы режим орошения рассчитывают для года расчетной обеспеченности. Это могут быть годы 75…95%-й обеспеченности, определенные по недостатку воды для получения проектируемого урожая. Проектный режим орошения является основой для расчета параметров каналов, трубопроводов, гидротехнических сооружений и других элементов оросительной сети. При проектировании режима орошения определяют дефицит влажности почвы для восполнения суммарного водопотребления растений или оросительную норму. Существует два основных метода определения оросительной нормы: аналитический и графоаналитический. Аналитический метод основан на определении поливной нормы для каждой культуры без выявления сроков полива; графоаналитический метод, предложенный А.Н. Костяковым, предусматривает определение даты и точной нормы полива. Расчет сроков и норм полива приведен в таблицах 23–26. В таблицу 23 выписывают осадки по декадам за вегетационный период для заданной области. Изменение запасов влаги (м3/га) в активном слое почвы (табл. 24) рассчитывают по уравнению водного баланса: Еp + Т + S + F = P + ∆W + Еg + Wc + M , (65) где Еp – испарение с поверхности почвы; Т – испарение растениями (транспирация); S – сток воды по поверхности почвы; F – фильтрация воды вертикально, ниже расчетного слоя почвы; P – осадки; ∆W – доступный запас воды в слое прироста корневой системы растений; Еg – подпитывание активного слоя почвы грунтовыми водами; Wc – конденсация водяных паров в порах почвы; М – оросительная норма. Количество грунтовых вод, поступающих за одни сутки в корнеобитаемый слой (в суглинистых и торфяных почвах), составит: глубина залегания грунтовых вод от поверхности почвы, м 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 поступающее количество грунтовых вод, м3/га 14,0 8,0 5,0 2,5 0,6 С учетом природных условий орошаемого участка уравнение водного баланса значительно упрощается. Испарение с поверхности почв и транспирация влаги растениями в сумме составляют суммарное водопотребление: Е = Еp + Т. Осадки, влияющие на изменение влажности почвы, учитываются коэффициентом их использования Ко. При правильной организации поливов и высокой агротехнике сток поверхностных вод S = 0. Просачивания ороси97 тельной воды ниже корнеобитаемого слоя не происходит, когда полив проводят нормой, обеспечивающей увлажнение расчетного слоя почвы до его водоудерживающей способности. В данном случае F = 0. При расчете динамики влажности почвы по декадам конденсация водяных паров в порах почвы составляет незначительную величину, Wc = 0. Приход воды из грунтовых вод наблюдается в тех случаях, когда они находятся на глубине меньше максимальной высоты капиллярного поднятия (Нк). В рассматриваемом примере уровень грунтовых вод находится на глубине от 0,5 до 1,5 м, следовательно, величина подпитывания грунтовыми водами будет определяться по следующей формуле: Eg = k · Eдек , (66) где k – коэффициент подпитывания, зависящий от глубины грунтовых вод (табл. 23); Едек – водопотребление растений за декаду, м3/га (табл. 24). С учетом указанных особенностей орошаемого участка уравнение (65) можно записать в следующем виде: Е = 10Ко · P + Eg + ∆W + М , (67) где 10 – коэффициент перевода осадков, измеряемых в мм, при расчете объема воды, м3/га. В уравнении (67) приходная часть состоит из осадков, подпитывания грунтовыми водами и запасов воды в слое прироста корневой системы растений. 98 Таблица 23 Данные для расчета сроков и норм полива многолетних трав Месяцы/декады Май Июнь Июль Сентябрь Август Расчетные элементы Осадки P, мм I II III I II III I II III I II III I 11 12 13 14 15 17 19 19 18 18 17 16 14 0,9 0,9 0,9 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,2 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,6 0,6 0,6 ‒ ‒ 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 ‒ ‒ ‒ 0,6 0,6 0,6 0,9 0,9 0,9 1,0 1,0 1,0 1,1 1,1 1,1 0,9 0,2 0,15 0,15 0,1 0,1 0,1 0,05 0,05 0,05 0,1 0,1 0,1 0,1 2 4 6 8 9 10 11 12 12 11 7 4 2 Коэффициент использования осадков, К0 Активный слой почвы h, м Углубление активного слоя почвы hy, м Глубина грунтовых вод hg, м Коэффициент подпитывания k Распределение по декадам суммарного водопотребления Рс, % 99 Таблица 24 Ведомость предварительных водобалансовых расчетов для определения прихода и расхода воды в расчетном слое почвы при орошении многолетних трав, м3/га Май Статья водного баланса I Приход воды от атмосферных осадков: 99 P = 10 ⋅ К0 ⋅ О Приход воды от подпитывания грунтовыми вода12 ми: Eg = k ⋅ Eдек Приход воды от углубления активного слоя: ‒ ∆W = 100hy ⋅ α ⋅ βнв ⋅ Кн ⋅ Ки ИТОГО (+) 111 Расход воды на водопотребление: 79 Eдекl = Кв У Рс /100 Избыток воды (+) +32 Недостаток воды (–) II 108 24 ‒ 132 158 –26 Июнь III 117 36 212 365 238 +127 Июль Август Сентябрь I II III I II III I II II I 112 120 156 152 152 126 126 119 112 91 32 36 40 22 24 24 44 28 16 8 212 212 212 212 212 ‒ ‒ ‒ 356 368 408 424 388 362 382 147 128 100 356 396 436 475 475 436 277 158 79 +13 +4 –87 –113 –54 –130 –30 +21 317 +39 212 –12 212 Таблица 25 Предельно допустимые запасы воды в активном слое почвы, м3/га Май Запас воды Wmax = 100h ⋅ α ⋅ βНВ Wmin = 100h ⋅ α ⋅ βmin I 1176 823 II 1176 823 Июнь III 1470 1029 I 1764 1234 II 2058 1441 100 Июль III 2352 1646 I 2646 1852 II 2940 2058 Август III 3234 2264 I 3528 2470 II 3528 2470 II 3528 2470 Сентябрь I 3528 2470 Доступный запас влаги (м3/га) в слое прироста корневой системы рассчитывают по зависимости ∆W = 100 ⋅h y ⋅ α ⋅ βH B ⋅ К Н ⋅ К И , (68) где h y – прирост корневой системы за декаду (табл. 23), м; α – объёмная масса почвы, г/см3; β H B – влажность почвы, соответствующая наименьшей влагоемкости в % от массы сухой почвы; К Н – коэффициент насыщения почвы водой перед посевом; Ки – коэффициент использования почвенной влаги. Расходную часть уравнения (67) составляет суммарное водопотребление Е, которое определяют по формуле А.Н. Костякова: Е = Кв ⋅ У , (69) где К в – коэффициент суммарного водопотребления, м3/т; У – урожай зеленой массы, 400 ц/га. Суммарное водопотребление (эвапотранспирация) – это объём воды, расходуемой сельскохозяйственным полем на транспирацию растениями и испарение с почвы (м3/га, мм). Количественно интенсивность суммарного водопотребления – функция влажности почвы, физиологических свойств растений, метеорологических условий и уровня агротехники. При оптимальных запасах влаги в почве водопотребление зависит от состояния растительного покрова и термического режима внешней среды, т.е. имеет биоклиматический характер. Коэффициент водопотребления – объём воды, необходимый для создания единицы урожая (м3/т). Значения коэффициентов водопотребления (К в) для многолетних трав (на сено), выращиваемых в условиях Нечернозёмной зоны России, следующие: – для влажного года – 500…550 м3/т; – для среднего года – 600…650 м3/т; – для засушливого года – 700…750 м3/т. При высоком уровне агротехники и создании оптимальных условий водного режима (поддержании влажности почвы на уровне 60…70% НВ) коэффициент водопотребления снижается, т.е. происходит более рациональное использование воды на создание единицы продукции. В данном случае коэффициент водопотребления можно принять 55 м3/ц. При Кв = 55 м3/ц и У = 70,5 ц/га Е = 55 ⋅ 70,5 = 3880 м3/га. Распределение суммарного водопотребления по декадам Едек рассчитывают по зависимости Едек = Е Pc , 100 где Рс – % общего водопотребления за декаду (табл. 22). 101 (70) Зная приход и расход воды в активном слое почвы, можно найти ее избыток или недостаток за каждую декаду (табл. 24). Для последующего графоаналитического расчета по определению оросительной нормы необходимо знать допустимые предельные запасы воды в активном слое почвы в вегетационный период (табл. 25). Верхний оптимальный предел (ВОП) = Wmax характеризует потенциальную водоудерживающую способность активного слоя и близок к наименьшей влагоемкости (НВ), которая в зависимости от механического состава и структуры почвы равна 80…90% ПВ (полной влагоемкости). Верхний оптимальный предел запаса воды в активном слое почвы (м3/га) рассчитывают по формуле Wmax = 100 ⋅ h ⋅ α ⋅ βНВ . (71) Полученное значение наносят на график (рис. 41). Эта точка является началом кривой фактического запаса влаги в почве. Влагозапасы почвы на конец первой декады вегетации вычисляют по выражению WК = Wн ± ЗВ , (72) где ± ЗВ – баланс воды за декаду, м /га. 3 Это число записывают в соответствующую графу таблицы 26 и наносят на график. На рисунке две точки соединяют сплошной линией. Так как запасы влаги в почве на конец декады оказалась в оптимальных пределах, Wmax > WК > Wmin , то их переносят на начало I декады мая и записывают в третью графу таблицы 26. Запас воды на конец декады вычисляют по формуле WК = WН + ЗВ, записывают в таблицу 28 и наносят на график (рис. 41). Такой порядок расчета сохраняется до тех пор, пока запасы влаги в почве на конец расчетной декады не окажутся меньше нижнего оптимального предела Wmin: Wmax = 100hαβНВ , (73) где h – активный слой почвы, м; α – объемная масса почвы, т/га (бланк задания); βНВ – влажность почвы, соответствующая наименьшей влагоемкости, % от массы сухой почвы (бланк задания). Верхний оптимальный предел запаса воды в активном слое почвы Wmax зависит от биологических особенностей, фаз вегетации и глубины распространения корневой системы растений. Нижний оптимальный предел Wmin соответствует объему воды в активном слое, ниже которого влажность не должна опускаться, так как произойдет снижение урожая орошаемой культуры. Его определяют по формуле Wmin = 100 ⋅ h ⋅ α ⋅ βmin , (74) где βmin – минимально допустимая влажность почвы. Для полевых культур βmin = 65%, для овощных и многолетних трав βmin = 65…70% НВ. 102 Значения Wmax и Wmin записывают в таблицу 25. По данным этой таблицы строят график предельных запасов воды в активном слое почвы (рис. 41). На графике получают две кривые: Wmax и Wmin. Кривая Wmin будет сигнализировать о необходимости проведения полива, как только кривая фактического запаса воды в активном слое будет приближаться к ней. Кривая Wmax будет служить «потолком» при назначении поливных норм, которые должны быть такими, чтобы после полива (в тот же день) запас в активном слое почвы не превышал верхний оптимальный предел. Таблица 26 Определение норм, сроков и числа поливов многолетних трав Месяц Май Июнь Июль Август Сентябр ь Декада Запас воды на начало декады Wн, м3/га Изменение запаса воды за декаду ΒΒ , м3/га Запас воды в почве на конец декады Wк, м3/га Дата поли ва № поли ва Запас воды в почве на день полива, м3/га до после полива Поливная норма, м3/га I 1058 +32 1090 ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ II 1090 ‒26 1064 ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ III 1064 +127 1191 ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ I 1191 +39 1230 09. 06 1 1230 1630 400 II 1634 +13 1647 ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ III 1647 +4 1651 30. 06 2 1651 2051 400 I 2051 ‒12 2039 ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ II 2039 ‒87 1952 17. 07 3 1980 2380 400 III 2352 ‒113 2239 30. 07 4 2250 2650 400 I 2639 ‒54 2585 ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ II 2585 ‒130 2455 19. 08 5 2470 2870 400 III 2855 ‒30 2825 ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ I 2825 +21 2842 ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ Кроме того, поливная норма при поливе дождеванием не должна превышать 400 м3/га в целях предотвращения ирригационной эрозии. Для заполнения таблицы 26 вначале определяют запас воды в активном слое почвы на день посева культуры по выражению Wн = Wmax ⋅ КН . 103 (75) Когда кривая фактического запаса влаги пересечет линию нижнего оптимального предела или достигнет ее, то в точке пересечения определяют по горизонтальной оси дату, а по вертикальной – норму полива. Максимальную поливную норму (м3/га) определяют по зависимости mмах = Wmax – Wmin . (76) Поливную норму принимают из условий увлажнения почвы до 0,9 ⋅ НВ, а в конце вегетации ‒ из расчета создания достаточного запаса воды в почве. При поливе дождеванием, в целях предотвращения ирригационной эрозии, поливная норма не должна превышать 400 м3/га. Пример. Определить сроки и нормы полива многолетних трав. Дано: урожай зеленой массы для создания качественного газона составляет У = 40 т/га; объемная масса почвы α = 1,4 г/см3; наименьшая влагоемкость β нв = 42% массы сухой почвы; посев проведен 28 апреля; предпосевная влажность почвы равна 90% НВ; коэффициент насыщения КН = 0,8, коэффициент суммарного водопотребления КВ = 99 м3/т, коэффициент использования почвенной влаги КИ = 0,9; динамика глубины грунтовых вод по декадам дана в задании; расчетный год принят 80%-й обеспеченности. Приход воды в почву по декадам равен П = 10 ∙ K0 ∙ P + Wg + ∆W . (77) Для расчета прихода воды от осадков из таблицы 23 берем значения К0 и осадки Р за каждую декаду вегетации. Запас воды в слое углубления корневой системы растений определяем по формуле ∆W = 100 ∙ hу ∙ α ∙ βнв ∙ Кн ∙ Ки , (78) ∆W = 100 ∙ 0,05 ∙ 1,4 ∙ 42 ∙ 0,9 ∙ 0,8 = 212 м3/га. Так как прирост корневой системы по декадам принят одинаковым (табл. 23), т.е. hу = 0,05 м, то в таблице 24 с III декады мая по I декаду августа записываем одно и то же число 212 м3/га. Расход воды из почвы в уравнении водного баланса зависит только от суммарного водопотребления. В данном примере суммарное водопотребление по декадам равно Едек = Ε ⋅ Pc = Кв ⋅ У ⋅ Pc , Едек = 100 9,9 ⋅ 400 ⋅ Рс 100 100 (79) = 39,6 Рс . Распределение водопотребления Рс за каждую декаду (в % от суммарного водопотребления за вегетацию) приведено в таблице 23. Изменение запаса воды в активном слое вычисляют по разности между приходом и расходом: ± ЗВ = П ‒ Р. 104 Предельно допустимые запасы влаги в активном слое почвы вычисляем по формулам (74) и (73). Глубины активного слоя почвы приведены в таблице 23. Для многолетних трав βmin = 0,7 ∙ βНВ, тогда допустимые пределы запаса влаги: Wн = 0,9 ∙ 1176 = 1058 м3/га, Wmax = 100 ∙ 0,2 ∙ 1,4 ∙ 42 = 1176 м3/га; Wmin = 100 ∙ 0,2 ∙ 1,4 ∙ 42 = 823 м3/га. Из таблицы 24 в таблицу 26 переписываем изменение запасов воды в почве. Запасы влаги в почве на начало посева находим по выражению Wн = Кн ∙ Wвоп . (80) Запас воды на конец I декады мая: Wк = 1058 + 32 = 1090 м3/га. Полученные данные наносим на график. Так как Wmax > WК > Wmin (1176 м3/га > 1090 м3/га > 823 м3/га), то полив либо сброс не требуются. В таком случае влагозапасы почвы на начало следующей расчетной декады равны влагозапасам на конец предыдущей декады: Wн = Wн.пред. = 1090 м3/га. Запас влаги на конец I декады июня оказался меньше нижнего оптимального предела: 1230 < 1234 м3/га. Кривая фактических влагозапасов пересекла линию нижнего оптимального предела 9 июня. В этот день назначаем полив нормой m = Wmax – Wmin = 1764 – 1234 = 530 м3/га, исходя из условия недопущения эрозии, принимаем m = 400 м3/га. При этом запасы влаги после полива равны Wп.п. = Wд.п. + m = 1234 + 400 = 1634 м3/га. Запасы влаги на начало следующей декады определятся: WН. = WК + m = 1230 + 400 = 1630 м3/га. Полученную поливную норму m = 400 м3/га целесообразно проводить в два приёма по m = 200 м3/га, т.е. 2 × 200 м3/га. В случае получения избытка влаги на конец декады определяют нормы сброса избыточных вод (mc), которые будут отводиться запроектированной дренажной системой, по формуле mc = Wк – Wmax . (81) Запасы влаги на начало следующей декады в этом случае принимаются равными Wmax (рис. 41). 105 Рис. 41. График регулирования водного режима 106 Глава 7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОРОСИТЕЛЬНОЙ ЧАСТИ СИСТЕМЫ В данной главе рассматривается проектирование и гидравлический расчет оросительной системы при поливе дождеванием газонов. 7.1. Выбор источника орошения Источником орошения может служить р. Лихоборка, если в летнее время в ней достаточно воды. Прежде всего необходимо определить оросительную способность р. Лихоборки. По гидрометрическим данным, р. Лихоборка в летнее время при меженных горизонтах несет расход Qр = 1,2…1,5 м3/с. Если принять для условий Московской области гидромодуль qм = 0,8…1 л/с на 1 га и на орошение использовать 50% живого тока воды, то расход на орошение составит: Qор = 0,5 ⋅ Qр = 0,6…0,75 м3/с. (82) Возможную площадь орошения из р. Лихоборки определим по зависимости ωор = Qор ⋅ 1000/qм , (83) ωор = (0,6…0,75) ⋅ 1000/(0,8…1) = 600…940 га. Следовательно, из р. Лихоборки можно оросить от 600 до 940 га. По заданию необходимо оросить ω = 25 га. Отсюда делаем заключение: в качестве водоисточника для орошения можно принять р. Лихоборку. 7.2. Выбор площадки под насосную станцию Площадку под насосную станцию выбирают на прямолинейном участке реки. Берег её должен быть устойчивым и не затопляться летними паводковыми водами. Для стационарной насосной станции этим условиям отвечает место на отметке 94,8 м. Насос может забирать воду с глубины 3…4 м. 7.3. Оросительная сеть Проектируем закрытую оросительную сеть. Она должна быть прямолинейной, с минимальным количеством пересечений трубопроводами открытых каналов. В месте пересечения трубопровода (выполненного из различных материалов) с открытым каналом его меняют на металлический. Обычно прокладку оросительных трубопроводов намечают между концами дрен, а полевые ‒ должны проходить между дренами. 107 7.4. Выбор типа дождевального устройства При выборе того или иного дождевального устройства для орошения руководствуются следующими правилами: 1.Интенсивность дождя дождевальной установки должна быть не больше скорости впитывания воды в почву. 2.Габариты и контуры увлажнения дождевателей должны соответствовать размеру и конфигурации орошаемого участка. 3.Необходимо проанализировать особенности орошаемой культуры, а также технико-экономические показатели дождевальной установки: количество обслуживающего персонала, возможность работы от закрытой оросительной сети, влияние ветра на равномерность распределения дождя по площади, КПД и КЗИ, затраты энергии на создание 1 мм дождя, металлоемкость в расчете на 1 га сезонной производительности и др. Закрытую оросительную сеть проектируют с использованием труб, выполненных из различных материалов: асбестоцемент, железобетон, металл, металлопластик, полиэтилен, хлорвинил и др. Трубы укладываются в грунт на глубину 0,7…1,2 м от поверхности земли. Для полива газонов и декоративных культур можно использовать дождевальные установки «Hunter», ДШ-1, ДШ-32 и др. (приложения 3, 4, 5). В рассматриваемом проекте на берегу р. Лихоборки выбирают место под насосную станцию, от которой проектируется магистральный трубопровод. От него вправо и влево проектируются распределительные трубопроводы (РТ), от которых отходят полевые (ПТ) (рис. 19, 20). Расстояние между полевыми трубо- Рис. 42. Орошение газонов проводами зависит от диаметра увлажнения одного дождевателя (приложения 4, 5). На них размещаются гидранты с расстоянием друг от друга, примерно равным диаметру увлажнения одного дождевателя. Гидранты размещаются по треугольнику, обеспечивая перекрытие струй для равномерного увлажнения почвы по площади (рис. 42). 7.5. Расчет полива дождеванием При расчете полива дождеванием (рис. 43) определяются: интенсивность дождя (I), время работы дождевателя (Тст) на одной позиции при заданной поливной норме (m), суточная (ωсут) и сезонная (ωсез) производительности систе108 мы полива, а также количество одновременно работающих дождевателей (nд), необходимых для полива заданной площади газона (ω). Интенсивность дождя дождевальной установки «Hunter» при ее расстановке по треугольнику (приложение 4) рассчитывают по формуле I= Q м ⋅ 60 , ω ст ⋅ К (84) где I – интенсивность дождя, мм/мин; Qм – расход машины, л/с; К – коэффициент, учитываюРис. 43. Дождевальные аппараты «Hunter» щий условия работы машипри поливе газонов ны, К = 0,95; ωст – площадь увлажнения одним дождевателем, м2. Подставляя в формулу (84) значения, получим I= 60 ⋅ 2,77 60 ⋅ 2,77 = = 0,09 мм/мин. 2 3,14 ⋅ 25 ⋅ 0,95 1963 ⋅ 0,95 Продолжительность полива одним дождевателем (Тст): Тст = m б 10 ⋅ I , (85) где mб ‒ поливная норма, брутто, м3/га. Коэффициент перевода 1 мм слоя воды в м3/га рассчитывается следующим образом: 1 мм = 0,001 м; 1 га = 10000 м2; 1 мм слоя воды = 0,001 ⋅ 10000 = 10 м3/га. Пример. В задании дается поливная норма mн = 200 м3/га. Определить, сколько времени будет работать дождеватель, чтобы вылить заданную поливную норму. mбр. = 1,1 ⋅ mн = 1,1 ⋅ 200 = 220 м3/га, I = 0,09 мм/мин. Тст = 220 = 244 мин = 4 часа 04 мин. 10 ⋅ 0,09 Суточную производительность одного дождевателя «Hunter» определяем по формуле ωсут = 3,6 ⋅ Т ⋅ηсут ⋅ Qд , mб (86) 109 где ηсут – коэффициент использования рабочего времени в течение суток, ηсут = 0,8; Т – число часов работы машины в течение суток. Принимаем Т = 16 ч. 2,77 ωсут = 3,6 ⋅ 16 ⋅ 0,8 ⋅ = 0,58 га. 220 Сезонная производительность дождевальной установки «Hunter»: ωсез = ωсут ∙ t ∙ ηсез , (87) где ηсез – коэффициент использования рабочего времени в течение сезона, ηсез = 0,8; t ‒ межполивной период или время полива участка заданной площади, для газона t = 2–4 сут, принимаем t = 3 сут. Тогда ωсез = 0,58 ∙ 0,8 ∙ 3 = 1,39 га. Количество одновременно работающих дождевателей на поливном участке: nобщ = Кз ∙ ωун/ωсез , (88) где nобщ – количество одновременно работающих дождевателей, шт.; Кз – коэффициент запаса, Кз = 1,1; ωун – площадь орошаемого участка нетто, га. nм = 1,1 ⋅ 25/1,39 = 18 дождевателей (3 линии). Так как на одной линии должно располагаться не более шести дождевателей (в нашем случае их шесть), то одновременно работающих трубопроводных линий будет три (18 дождевателей / 6 = 3 линии). При этом расход воды одной линии (Qл), на которой находятся шесть дождевателей, будет составлять: Рис. 44. Дождеватели «Hunter» различных модификаций Qл = nд ⋅ Qд , (89) Qл = 6 ⋅ 2,77 = 16,62 л/с. Так как по расчёту при поливе участка будут одновременно работать 18 дождевателей (рис. 44), то общий расход воды, который необходимо подавать в оросительную сеть, т.е. расход воды магистрального трубопровода (МТ), составит: 110 Qмт = Qд ⋅ nобщ , Qмт = 2,77 ⋅ 18 = 49,86 л/с. (90) 7.6. Гидравлический расчёт напорной оросительной сети При проектировании напорных трубопроводных систем определяющее значение имеют их гидравлические расчеты. Они служат основой для определения диаметра труб и подбора насосного оборудования, которые обеспечивают пропускную способность требуемого расхода воды в течение всего срока эксплуатации. Качество выполненных гидравлических расчетов определяет экономичность как самого трубопровода, так и всего комплекса связанных с ним сооружений. Полимерные трубы имеют очень гладкую внутреннюю поверхность и малые гидравлические потери, что позволяет использовать трубы меньшего диаметра, чем стальные. Монтаж становится более компактным и экономичным. На орошаемом участке полевые трубопроводы не закольцованы, из каждого полевого трубопровода воду забирает один или несколько (6 шт.) дождевателей. Для полива всей площади требуется 88 дождевателей, из них 12 ‒ на первых двух и 10 ‒ на последующих двух полевых трубопроводах (рис. 45). Рис. 45. Схема оросительной сети Расход полевого трубопровода равен расходу воды, потребляемой шестью дождевателями, установленными на одной трубопроводной линии, с учетом потерь в сети: Qпб = Qм/ηос , (91) Qпб = 16,62/0,98 ⋅ 1000 = 0,017 м3/с. Диаметр полевого трубопровода. Рекомендуемые скорости прохождения воды в трубопроводах из поливинилхлоридных труб V = 1,0…3,0 м/с, принимаем V = 1 м/с. Диаметр полевого трубопровода определяем по формуле d = 1,13 dпт = 1,13 Qб , V 0,017 = 0,147 м, по ГОСТу 539-65 (ВТ-9) dпт = 0,141 м. 1 111 (92) Проверяем скорость по формуле V = 1,27 ⋅ Q/d2 , (93) V = 1,27 ⋅ 0,017/0,1412 = 1,08 м/с. Полученная скорость находится в допустимых пределах. Диаметр распределительного трубопровода. Распределительный трубопровод – это тот участок труб, на котором работают два и более полевых трубопроводов. При работе двух полевых трубопроводов расход распределительного трубопровода определяем по формуле Qрт = nпт ⋅ Qпт/ηрт , (94) 3 Qрт = 2 ⋅ 0,017/0,99 = 0,034 м /с, где nпт – число дождевальных линий (полевых трубопроводов), работающих на распределительном трубопроводе, шт. Скорость V = 1 м/с, тогда dрт = 1,13 0,034 = 0,208 м, по ГОСТу 539-65 ВТ-9 dрт = 0,189 м. 1 Проверяем скорость: V = 1,27 ⋅ 0,34/0,1892 = 1,23 м/с. Расход магистрального трубопровода определяется числом одновременно работающих дождевателей (линий) на всём участке. По предыдущим расчётам одновременно работают 18 дождевателей на трех линиях: Qмт = Nобщ ⋅ Q пт/ηмт , (95) где Nобщ ‒ число одновременно работающих дождевальных линий на участке, 3 шт.; ηрт = 0,99. Q мт = 3 ⋅ 0,017/0,99 = 0,052 м3/с. Диаметр магистрального трубопровода определяется по формуле dмт = 1,13 Q мт . V (96) Напорные трубопроводы проектируем из поливинилхлоридных труб. Скорость V = 1,0…3,0 м/с, принимаем V = 1 м/с. dмт = 1,13 0,052 = 0,257 м, по ГОСТу 539-65 (ВТ-9) dрт = 0,235 м. 1,0 Проверяем скорость: V = 1,27 ⋅ 0,052/0,2352 = 1,20 м/с. Полученная скорость находится в допустимых пределах. Результаты гидравлического расчета записываем в таблицу 27. 112 Таблица 27 Характеристика закрытой напорной оросительной сети из поливинилхлоридных трубопроводов Наименование трубопровода Расход, Q, м3/с Длина трубопровода, L, м (с плана) Диаметр труСкорость вобопровода (по ды, V, м/с ГОСТу), d, м Магистральный 0,052 300 0,235 1,20 Распределительный 0,034 300 0,189 1,23 Полевой 0,017 250 0,141 1,08 Диаметр всасывающего трубопровода. Диаметр всасывающего трубопровода не рассчитывают по формуле, его принимают по ГОСТу для стальных труб близким к диаметру всасывающего патрубка каждого центробежного насоса. 7.7. Подбор насоса и двигателя для оросительной сети Для подачи воды в закрытую оросительную сеть рекомендуется применять центробежные насосы с электродвигателями. Они не имеют трущихся частей, а следовательно, надежно работают при заборе воды, содержащей значительное количество наносов. Кроме того, они создают большой напор в закрытой сети. Марку насоса подбирают по расчётному расходу насосной станции и полному напору в закрытой сети. Расчетный расход насосной станции равен расходу магистрального трубопровода, т.е. Qн.с. = Qмт = 0,052 м3/с. Полный напор рассчитывают по выражению Нп = Нв + Нн , (97) где Нп – полный напор насоса, м; Нв – напор во всасывающей линии трубопровода, м; Нн – напор в нагнетательном трубопроводе, м. Напор во всасывающем трубопроводе: Нв = hг + hтв + hмс , Нв = 2,05 + 0,5 + 1,3 = 3,85 м, (98) где hг – геодезический напор во всасывающей линии, м; hтв – потери напора на трение воды по длине трубопровода, м; hмс – потери напора на местные сопротивления (сетка, клапан, колено, задвижка и т.д.). Схема водозабора показана на рисунке 46. 113 Hо.н 0,5 101,3 2,2 hг=2,7 99,3 Рис. 46. Схема водозабора hг = Нон – Нмг , (99) где Нон – отметка оси насоса, м; Нмг – отметка меженного горизонта в р. Яхроме; Нгв = Нон ‒ Нмг = 94,8 – 92,75 = 2,05 м, 2 2 1 2 50 L V ⋅ hт.в = λ в ⋅ в = ⋅ = 0,5 м, 40 2 ⋅ 9,81 0,5 2g d в (100) где λ – коэффициент сопротивления трению; Vв – скорость воды во всасывающем трубопроводе, Vв = 1,5…3 м/с, принимаем Vв = 2 м/с; g = 9,81 – ускорение свободного падения, м/с2; Lв – длина всасывающего трубопровода; dв = 500 мм, или 0,5 м. Потери напора воды на преодоление местных сопротивлений определяем по формуле hмс = β ⋅ 22 V2 = 6,5 ⋅ = 1,3 м, 2g 2 ⋅ 9,81 (101) где β – коэффициент, учитывающий потери напора во всасывающем трубопроводе (сетка, клапан, колено, задвижка и пр.), β = 6,5; hв = 2,05 + 0,5 + 1,3 = 3,85 м. Полный напор во всасывающей линии сравнивают с величиной вакуума, который указан в паспорте насоса. Он равен 4…6 м. Если потери напора во всасывающей линии окажутся больше вакуума насоса (приложение 1), необходимо понизить площадку насосной станции, чтобы hвг = h вакуума (1…1,5 м). Определение напора в нагнетательной линии: Нн = hгн + Σhтн + Σhмс + hгидр , (102) где hгн – геодезический напор на нагнетательной линии, м; Σhтн – потери напора на преодоление трения в нагнетательном трубопроводе, м; Σhмс – потери на преодоление местных сопротивлений в нагнетательном трубопроводе, м; hгидр ‒ свободный напор на дождевателе, принимают равным 40…60 м. 114 Геодезический напор в нагнетательной линии находят по формуле hгн = Нг – Нон = (103) = 96,3 – 95,3 = 1 м. где Нг – отметка самого высокого гидранта на орошаемой площади (96,3 м); Нон – отметка оси насоса (95,3 м). Потери напора воды на преодоление сопротивления трения определяют для каждого конкретного случая по зависимости hТР = λ ⋅ V 2 Lн ⋅ 2g d н , (104) где λ – коэффициент сопротивления трению (зависит от материала трубопровода); V – скорость течения воды в нагнетательном трубопроводе, м/с (табл. 27); Lн – длина напорного трубопровода, м (табл. 27); dн – диаметр трубопровода, м (табл. 27). Коэффициент сопротивления трению (λ) определяем по формуле λ = 0,5 / (lg(3,7 D / ξ ý ))2 , (105) где ξэ – нормативная эквивалентная шероховатость, мм (приложение 10); D – диаметр трубопровода, мм (табл. 27). Используя при монтаже оросительной сети трубопроводы соответствующих диаметров из ПВХ (поливинилхлорид), определяем коэффициенты сопротивления трению: 1) для полевого трубопровода λпт = 0,5 / (lg(3,7 ⋅ 141 / 0,005))2 = 0,020 ; 2) для распределительного трубопровода λ рт = 0,5 / (lg(3,7 ⋅189 / 0,005))2 = 0,019 ; 3) для магистрального трубопровода λ мт = 0,5 / (lg(3,7 ⋅ 235 / 0,005))2 = 0,018 . Определяем потери напора на преодоление трения в нагнетательной линии как сумму потерь в трубопроводах: 2 hТР V Lрт V 2 Lпт V 2 Lмт + λ рт ⋅ рт ⋅ гост + λ мт ⋅ мт ⋅ гост , = λпт ⋅ пт ⋅ гост 2 g d рт 2 g d пт 2 g d мт hТР = 0,020 ⋅ 1,23 2 300 1,20 2 300 1,082 250 ⋅ + 0,019 ⋅ ⋅ + 0,018 ⋅ ⋅ , 2 ⋅ 9,81 0,141 2 ⋅ 9,81 0,189 2 ⋅ 9,81 0,235 hТР = 2,11 + 2,33 + 1,69 = 6,13 м . 115 (106) Потери напора воды на преодоление местных сопротивлений: hмс = 0,1 ⋅ hтн , (107) hмс = 0,1 ⋅ 6,13 = 0,61 м. Свободный напор на гидранте примем равным hгидр = 50 м, тогда напор в нагнетательной линии составит: hн = 1,0 + 6,13 + 0,61 + 50 = 57,74 м. Зная полный напор и расход насосной станции, по номограммам подбирают марку насоса. Если по номограмме расход меньше расчетного расхода насосной станции, то определяют необходимое количество насосов и добавляют 1‒2 резервных. Зная расход каждого насоса и напор, определяют по номограмме их марку. После чего из каталога в пояснительную записку выписывают их характеристику. В нашем случае одновременно работают 18 дождевателей «Hunter»; расход Qмт = 0,052 м3/с. Находим полный напор насосной станции по выражению Нп = hв + hн , (108) Нп = 3,85 + 57,74 = 61,59 м. По каталогу (приложение 1) выбираем центробежный насос, который способен обеспечить полный напор насосной станции 61,59 м, а также расчётный расход в оросительной сети, соответствующий расходу в магистральном трубопроводе Qмт = 0,052 м3/с = 52 л/с. Данные параметры может обеспечить насос марки 4К-6а: Нн = 82…61,6 м; Qн = 18…34,8 л/с. Так как производительность насоса Qн = 18…34,8 л/с, а расчётный расход сети Qмт = 0,052 м3/с = 52 л/с, то потребуется установить два насоса (52/26 = 2 шт.). Техническая характеристика насоса 4К-6а: Qн = 18…34,8 л/с; Нн = 82…61,6 м, n = 2900 об./мин; КПД ηн = 0,66; Н доп . зак . = 7,1 − 4,6 м . Проверяем мощность насоса: Nн = Qн ⋅ Н н , 102 ⋅η н (109) где Qн – производительность насоса, л/с; Нн – полный напор, обеспечиваемый насосом, м; ηн – коэффициент полезного действия насоса, в долях; 102 – переводной коэффициент из л.с. в кВт. 116 Подставив значения в формулу, получаем мощность насоса: Nн = 26 ⋅ 61.6 = 23.8 кВт. 102 ⋅ 0,66 Насосы типа Д выпускаются с упругой муфтой для непосредственного соединения с электродвигателем и монтируются с последней на общей фундаментной плите, следовательно, мощность двигателя, с учётом потерь, должна быть в среднем на 15% выше мощности насоса: Nдвиг. = 1,15 ⋅ Nн , (110) Nдвиг. = 1,15 ⋅ 24,1 = 27,7 кВт. По каталогу (приложение 2) подбираем к насосу электродвигатель таким образом, чтобы мощность электродвигателя соответствовала расчётной мощности (Nдвиг.), а частоты вращения валов насоса и электродвигателя не отличались более чем на 50 об./мин. В нашем случае необходимо установить два электродвигателя марки А-71-2 с мощностью 28,0 кВт и частотой вращения ротора 2930 об./мин. 7.8. Эксплуатация осушительно-оросительной системы Главной задачей эксплуатационных мероприятий является регулирование водно-воздушного режима корнеобитаемого слоя почвы в соответствии с требованиями сельскохозяйственного производства и поддержание всех элементов осушительной сети в исправном состоянии. Для этого необходимо: охранять систему от повреждений, пожаров, содержать элементы в исправном состоянии, вести наблюдения за влажностью почвы, глубиной грунтовых вод и т.д. Для нормальной эксплуатации системы в проекте следует предусмотреть следующие мероприятия: 1. Организацию службы эксплуатации. 2. Строительство служебных, жилых, складских и других помещений. 3. Устройство водомерных постов и смотровых скважин. 4. Оборудование каналов и водоприемников береговой обстановкой (реперы, километровые столбы, предупредительные и запрещающие знаки, полосы отвода вдоль водотоков и др.). 5. Выделение группы русловых ремонтеров из расчета один человек на 10 км открытой сети или на 100 га закрытой осушительной сети. 6. Службу связи (телефон, машину, мотоцикл, лошадь). 117 Таблица 28 Таблица гидротехнических сооружений Сооружения Насосная станция (стационарная) Шлюз русловой Шлюзы-регуляторы с переездом Количество Примечание 1 Количество насосов – 2, двигателей ‒ 2 1 Перед насосной станцией 3 В устье магистральных каналов Устьевые сооружения 18 В устье каждого коллектора Колодцы 21 В устье коллектора и в местах изменения его горизонтального направления, через 400…500 м от истока Распределительные колодцы с гидрантом 27 В местах пересечения МК и распределительных трубопроводов РТ-8 с полевым трубопроводом 50 Для подсоединения ДШ-1, ДШ-32 75 На концах полевых трубопроводов 1 В самом высоком гидранте ‒ По расчёту Гидрантыводовыпуски Заглушки Вантузы Дождеватели ДШ-1, ДШ-32, «Hunter» В состав эксплуатационных работ входят: 1. Охрана, уход и текущий ремонт каналов и сооружений. 2. Надзор за правильным, интенсивным использованием осушаемых земель. 3. Охрана от пожаров и организация их тушения. 4. Надзор за нормальной работой всех элементов системы (очистка и окашивание открытых каналов и водоприемников, подготовка системы к зиме, подготовка к пропуску весеннего паводка). 5. Мелкий текущий ремонт сети после прохода весеннего паводка. 6. Разъяснение населению правил пользования осушительной системой. Своевременный ремонт сооружений системы, содержание ее элементов в полном порядке и чистоте, регулирование водного режима почв с учетом комплекса агротехнических мероприятий позволяют планомерно повышать плодородие осушаемых земель, а следовательно, и урожаи сельскохозяйственных культур. 118 Глава 8. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬСТВА ГИДРОМЕЛИОРАТИВНОЙ СИСТЕМЫ В данной главе проводится технико-экономическое обоснование проекта, на примере запроектированной системы определяются капитальные затраты. 8.1. Объём земляных работ и требуемое количество механизмов для производства строительных Земляные работы в основном включают: разработку русел открытых каналов, траншей дренажной сети и закрытых оросительных трубопроводов; засыпку траншей после укладки дренажных и оросительных труб; насыпку подушек под открытые оросители и полотно дороги и планировку орошаемой площади. Для производства земляных работ необходимо подобрать машины и механизмы, а также подсчитать требуемое количество машино-часов. Все эти расчеты сведены в таблицу 29. Таблица 29 Объем земляных работ Характеристика поперечного сечения канала СуммарНаименование элеменная длитов и работ на, м шиглурина по бина, h, дну, b, м м коэф. заложения откосов, ϕ площадь поперечного сечения, F, м2 Объём земляных работ, V, м3 Магистральные каналы 2000 2,00 0,6 2,2 10,0 20000 Нагорные каналы 2600 1,50 0,5 1,5 3,5 9100 Открытые осушители 3500 1,10 0,4 1,5 2,26 7893 Транспортирующие собиратели 1700 1,30 0,4 1,5 3,06 5194 ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ 421867 19355 1,15 0,43 0 0,49 9571 -“- -“- -“- -“- -“- 9571 4000 1,32 1 0 1,32 5280 Засыпка траншей -“- -“- -“- -“- -“- 5280 Траншеи под МТ 300 1,3 1 0 1,3 390 Засыпка траншей -“- -“- -“- -“- -“- 390 5200 1,2 1 0 1,2 6240 -“- -“- -“- -“- -“- 6240 5000 0,5 5 1 2,75 13750 Кавальеры Траншеи под дрены Засыпка траншей Траншеи под коллекторы Распределительный и полевые трубопроводы Засыпка траншей Подушка под дорогу Примечание. Объем земляных работ Vзр = ΣL · F, где ΣL – суммарная длина элемента сети, м; F – площадь поперечного сечения, м2, для канала – F = (b + ϕh)h, F = bh – для 119 траншей, где b – ширина канала или траншеи по дну, м; ϕ ‒ коэффициент заложения откоса, h – глубина канала или траншеи. Объем земляных работ по насыпке подушки под дорогу: Vзр = ΣL · ωn, ΣL – суммарная длина дороги; м; ωn – поперечное сечение подушки. 8.2. Культуртехнические работы Согласно заданию, поверхность осушаемого участка поймы р. Яхромы засорена камнями, пнями старой вырубки, кустарником и мелколесьем, поверхность почвы задернована. Здесь необходимо предусмотреть комплекс хозяйственных и агротехнических мероприятий по устранению препятствий для обработки почвы и уборки урожая. Культуртехническая подготовка осушаемой площади заключается в расчистке поверхности от кустарника и мелколесья, корчевке и удалении пней, древесных остатков, камней и ее планировке. Создание достаточно мощного пахотного слоя является следующим этапом освоения осушаемой площади. Для этого проводится первичная вспашка целины на глубину 30…35 см, разделка пласта, выравнивание, а на торфяных почвах ‒ прикатывание поверхности. Исходя из мелиоративного состояния осушаемого участка, рассчитываем объем культуртехнических работ. Для их выполнения подбираем соответствующие механизмы и машины. 8.2.1. Стоимость земляных работ, сооружений и материалов Для того чтобы определить затраты на строительство системы, составляют специальные ведомости стоимости земляных работ, гидротехнических сооружений, гончарных и асбестоцементных труб, строительства дорог и приобретения дождевальных машин. На основании этих частных ведомостей составляют сводную ведомость стоимости капитальных затрат. Кроме того, определяют стоимость освоения осушаемой площади и эксплуатации системы (табл. 31). 120 Таблица 30 Подбор техники для выполнения земляных работ в процессе строительства осушительно-оросительной системы Объём земляНаименование элементов сети ных работ, Vз.р, м3 1 Потребность в механизмах Рабочая операция ПроизводиМарка тельность, м3/ч; га/ч 2 3 4 5 Магистральные каналы 20000 Нарезка Э-352 75 Нагорные каналы 9100 Нарезка Э-352 75 ВУ-95 300 Кавальеры 421867 Разравнивание Траншеи под дрены 9571 Нарезка ЭТН-142 75 Траншеи под дрены 9571 Засыпка БУ-55 300 Траншеи под коллекторы 4000 Нарезка ЭТ-251 135 Траншеи под коллекторы 4000 Засыпка БУ-55 300 Траншеи под магистральный трубопровод 390 Нарезка ЭТ-251 135 Траншеи под магистральный трубопровод 390 Засыпка БУ-55 300 5200 Нарезка ЭТ-251 135 5200 Засыпка БУ-55 300 22750 Насыпка БУ-55 160 100 га Выравни121 вание БУ-55 1,2 га Траншеи под распределительные и полевые трубопроводы Траншеи под распределительные и полевые трубопроводы Подушка под дорогу Планировка поверхности участка Количество машино-часов нетто брутто 6 7 Таблица 31 Стоимость строительства осушительно-оросительной системы и освоения осушаемой площади Кол-во единиц Наименование работ 1. Земляные работы Разработка магистральных каналов, 10 м3 2000 Разработка нагорных каналов, 10 м3 910 3 Разравнивание кавальеров, 10 м 42187 Разработка траншей под дрены, коллекторы, напорные 28,86 трубопроводы, км Засыпка траншей, 10 м3 1191 3 Насыпка подушки под дорогу, 10 м 6256,3 Планирование участка и засыпка ям, га 100 ИТОГО Неучтённые затраты 15% от общей стоимости 2. Гидротехнические сооружения Устьевые сооружения, шт. 4 Колодцы, шт. 8 Шлюзы-регуляторы, шт. 2 Гидранты, шт. 88 Насосные станции, кВт 2 Гидранты крестовины, шт. 4 ИТОГО 3. Гончарные и асбестоцементные трубы с укладкой, п.м. Гончарные дрены диаметром 5 см 58065 Коллекторные трубки диаметром, см: 10,0 1004 12,5 864 15,0 1120 17,5 1012 Поливинилхлоридные трубы с муфтой диаметром, мм: 235 300 189 300 141 250 ИТОГО 4. Дороги Полевые без покрытия, км 5,0 Улучшенные, с каменным покрытием 1,0 С бетонным покрытием 1,0 ИТОГО 5. Дождевальные устройства «Hunter», шт. 88 6. Насосная станция 8НДВ, шт. 2 7. Культуртехнические и агротехнические работы, га Срезка кустарников и мелколесья 50 Очистка площади от срезанного кустарника 50 Сжигание кустарника 50 Корчевка пней, сгребание в кучи, сжигание 50 122 Стоимость, руб.* за единицу общая 1,24 2,13 0,33 190 2480 1938 13922 5483 0,33 0,33 10 393 2065 1000 27281 4092 20 75 915 25 100 50 80 600 1830 2200 200 200 5100 0,197 11439 0,487 0,632 1,178 1,426 489 546 1319 1443 9,071 6,231 2,305 2721 1869 576 5166 75 750 1000 375 750 1000 2125 50 4400 9350 18700 8,5 26 10 45 425 1300 500 2250 Уборка камней с отвозкой 50 20 100 Разработка дернины 200 20 4000 Первичная вспашка 200 11 220 Разделка пласта 200 6,8 1360 Прикатывание до и после посева 100 13 1300 ИТОГО 11455 Неучтённые затраты 15% от основных 1718 ВСЕГО 80037 * Стоимость указана в рублях, соответствует расценкам 1984 г. В настоящее время полученные стоимости следует умножить на переводной коэффициент 50…60. Стоимость насосной станции определяется по формуле Снс = 1500 ⋅ Q ⋅ H, руб., 3 где Q – расход воды, м /с; Н – полный напор, м. (111) Таблица 32 Стоимость капитальных затрат на строительство осушительно-оросительной системы 1. Земляные работы 2. Гидротехнические сооружения 3. Приобретение и укладка асбестоцементных и гончарных труб 4. Строительство дорог 5. Приобретение дождевальных устройств «Hunter» 6. Стоимость насосной станции 7. Культуртехнические и агротехнические работы ИТОГО Zкз 31373 5100 5166 2125 4400 18700 13173 80037 Затраты на строительство осушительно-оросительной сети и освоение площади: Zу = ΣРзат./Sуч. , (112) где ΣРзат. – общая стоимость капитальных затрат на строительство осушительнооросительной системы, руб.; Sуч. – площадь осушаемого участка, га. Zу = 80037/220 = 363,8 руб./га. 8.2.2. Стоимость эксплуатации гидромелиоративной системы Ежегодные эксплуатационные затраты включают: 1. Отчисления на амортизацию и капитальный ремонт, 4% от капитальных затрат: А = Zкз ⋅ Ам/100 , (113) А = Zкз ⋅ Ам/100 = 80037 ⋅ 4/100 = 3201 руб., где Zкз – стоимость капитальных затрат, руб.; Ам – процент отчисления на амортизацию. 2. Отчисления на текущий ремонт сети и сооружений, 1,5% от Zкз: 123 Б = Zкз ⋅ δтр/100 , (114) Б = Zкз ⋅ δтр/100 = 80037 ⋅ 1,5/100 = 1201 руб., где δтр – процент отчисления на текущий ремонт сети и сооружений. 3. Стоимость ухода и технадзора, исходя из годовой стоимости содержания русловых ремонтеров с окладом 100 руб. в месяц (В). На 100 га осушаемой площади требуется один русловой ремонтер. На 200 га – два человека: В = nр ⋅ nм ⋅ 100 = 2 ⋅ 12 ⋅ 100 = 2400 руб., где nр – количество ремонтеров на сети; nм – число месяцев в году. Общая стоимость эксплуатации складывается из: Э = А + Б + В: Э = 3201 + 1201 + 2400 = 6802 руб., Уэ = 6802/220 = 30,9 руб./га. Контрольные вопросы 1. Что такое обеспеченность? 2. Метод и способ осушения при грунтовом типе водного питания. 3. Чем представлена регулирующая часть системы в парковой и лесной зонах? 4. Что относится к проводящей части системы? 5. В чем состоит отличие нагорного и ловчего каналов? 6. В чем смысл гидравлического расчета осушительной сети? 7. Способы увлажнения осушаемых земель. 8. Чем обусловлены требования растений к водному режиму почв? 9. Что является нижним пределом оптимальной влажности почвы? 10. Что является верхним пределом оптимальной влажности почвы? 11. Как рассчитать оросительную и поливные нормы? 124 Глава 9. СПОСОБЫ И ТЕХНИКА ПОЛИВА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ И ДЕКОРАТИВНЫХ КУЛЬТУР В главе даются сведения о различных способах полива сельскохозяйственных и декоративных культур. Наиболее подробно рассмотрены современные способы и техника полива, такие как дождевание, микродождевание и капельное орошение. Приводятся примеры расчёта и проектирования различных оросительных систем в соответствии со способом и техникой полива. Способ полива (орошения) – это комплекс мер и приемов распределения воды на поливном участке и превращения водного потока в почвенную влагу. Существуют следующие способы орошения (рис. 47): поверхностный – превращение водного потока в почвенную влагу происходит при движении воды по поверхности почвы с помощью полос, борозд, либо затопления чеков; дождевание – поливная вода поступает в почву в виде искусственного дождя, при этом увлажняются и сами растения, и приземный слой атмосферы; Рис. 47. Основные способы орошения локальный – когда происходит увлажнение только корневой системы растения (капельный, внутрипочвенный) и частично надземной части (микродождевание) с помощью микроводовыпусков, поливных капельниц, микродождевателей. Аэрозольное увлажнение (мелкодисперсное дождевание) относится скорее не к способам орошения, а к способам регулирования микроклимата, так как при распылении мельчайших капель воды регулируется температура и влажность приземного слоя воздуха без какого-либо увлажнения почвы. 125 Полив подразумевает однократное искусственное увлажнение почвы или (в случае аэрозольного увлажнения) регулирование параметров микроклимата. Каждому способу орошения соответствует определенное устройство оросительной регулирующей сети и техника полива. Техника полива – это параметры технологии проведения полива, т.е. длина борозд, полос, расходы, дальность полета струи при дождевании, расстояние между увлажнителями, оросителями, микроводовыпусками и т.д. Поливная техника – это технические средства, с помощью которых возможно проведение полива (машины, механизмы, орудия). В настоящее время существуют машины с комбинированными рабочими органами для полива дождеванием или по бороздам, а также машины, позволяющие проводить дождевание либо аэрозольное увлажнение. Это позволяет в течение вегетационного периода изменять способ подачи воды. При выборе способа орошения и поливной техники необходимо учитывать климатические, почвенные, гидрологические, биологические, водохозяйственные, экономические и другие факторы. При этом способ полива и применяемая поливная техника должны обеспечивать следующие условия: 1) соответствие требуемому режиму орошения возделываемых сельскохозяйственных культур, для чего необходимо равномерное распределение воды по полю и поддержание требуемой влажности почвы; 2) сохранение почвенной структуры; 3) высокий коэффициент использования воды, т.е. недопущение потерь (на глубинную фильтрацию, испарение и сбросы); 4) недопущение водной эрозии; 5) высокий коэффициент земельного использования; 6) возможность широкой механизации; 7) высокую производительность труда. 9.1. Дождевание сельскохозяйственных культур Полив дождеванием представляет собой подачу воды на поля в виде дождя, создаваемого путем распыления оросительной воды особыми, работающими под напором аппаратами. Дождевание является основным и наиболее перспективным способом орошения сельскохозяйственных культур в Нечерноземной зоне России. Впервые дождевание было применено в России инженером Г.А. Аристовым в 1875 г. В 1922 г. начались систематические исследования по дождеванию, а с 1950 г. – серийный выпуск. К достоинствам орошения дождеванием относятся: 126 1) возможность давать более частые поливы малыми нормами, а также производить поливы специального назначения (удобрительные, освежительные, противозаморозковые); 2) небольшая глубина увлажнения, что очень важно при орошении засоленных почв либо земель с близким залеганием грунтовых вод; 3) сохранение структуры почв при малой интенсивности дождя; 4) возможность применения на сложном микрорельефе; 5) регулирование микроклимата за счет увлажнения не только почвы, но и приземного слоя атмосферы, что способствует снижению энергии испарения; 6) создание условий для более высокого уровня механизации сельскохозяйственных работ на полях; 7) повышение уровня автоматизации всех процессов полива; 8) возможность забора воды из каналов, идущих в выемке. К слабым сторонам орошения дождеванием относятся: 1) потребность в механической энергии для создания напора на распыление воды и потому более дорогая эксплуатация; 2) высокая металлоёмкость; 3) неравномерность полива при ветре; 4) необходимость перемещения труб и дождевальных аппаратов на полях и затраты энергии на это. Дождевание наиболее целесообразно применять: – в районах неустойчивого естественного увлажнения, в климатических зонах, где потери воды на испарение не более 15%; – при орошении солонцеватых и засоленных почв для предупреждения поднятия растворенных солей; – при орошении земель с близким залеганием грунтовых вод (менее 2,5 м) – для предупреждения их подъёма; – на почвах с малой мощностью гумусового слоя и при орошении культур с неглубокой корневой системой (овощи, травы и др.); – при неблагоприятном сложном рельефе и со значительными уклонами (> 0,03), что позволяет сокращать планировочные работы; – на осушаемых землях при двустороннем регулировании водного режима; – при дефиците водных ресурсов. Качество дождевания зависит от диаметра капель, который влияет на допустимую интенсивность дождевания, повреждаемость растений, разрушение почвенных агрегатов, величину потерь дождя на испарение и т.д. Наиболее благоприятный для растений и почвы моросящий дождь состоит из дождевых капель диаметром 0,4…0,9 мм. 127 9.1.1. Структура и качество дождя Основными структурными характеристиками искусственного дождя являются его интенсивность, диаметр капель, слой осадков за один цикл полива и равномерность распределения по орошаемой площади. Интенсивность дождя бывает двух видов: мгновенная (ρt) на элементарной площадке (в точке) за небольшой отрезок времени (несколько секунд) и действительная (либо средняя), которая отражает интенсивность его выпадения непосредственно из дождевого облака. Мгновенная интенсивность дождя определяется отношением приращения слоя осадков в данной точке к приращению времени: (115) ρt = dh / dto . На практике при проектировании и эксплуатации оросительных систем чаще всего используют действительную интенсивность дождя, которую можно определить по формуле ρ m = 60Qm / A , мм/мин, (116) где Qm – расход воды аппаратом либо машиной, л/с; А – площадь одновременного захвата дождем, м2. Среднюю интенсивность дождя при поливе движущимися машинами и вращающимися агрегатами определяют по формуле или экспериментально. Важным параметром технологии дождевания является слой осадков hm за проход машины или оборот: (117) hm = ρ m ⋅ tsp , где ts – продолжительность нахождения под дождем участка поверхности почвы, мин. При поливе движущимися машинами (ДДА-100МА и «Кубань») средний слой осадков за один проход, мм: (118) hm = 60Q / (v ⋅ b ) , где v – скорость движения агрегата, м/мин; b – ширина захвата дождем в направлении движения, м. Для машин кругового действия, работающих в движении, слой осадков за проход определяется так: hm = 60Q / (2 ⋅ π ⋅ R ⋅ vmax ) , (119) где vmax – максимальная скорость движения последней тележки, м/с. Для машин типа ДДН слой дождя за один оборот: ( ) hm = 60Q / π ⋅ R 2 ⋅ n , (120) где n – частота вращения дождевального аппарата. 128 Качество дождевания зависит от диаметра капель, который влияет на допустимую интенсивность дождевания, повреждаемость растений, разрушение почвенных агрегатов, величину потерь дождя на испарение и т.д. Наиболее благоприятный для растений и почвы моросящий дождь состоит из дождевых капель диаметром 0,4…0,9 мм. Равномерность распределения дождя по орошаемой площади зависит от конструкции дождевальной машины или установки, схемы работы, почвенно-рельефных условий, скорости и направления ветра. Основное влияние на равномерное распределение воды по полосе оказывает сила ветра. Ветер влияет на площадь и размеры (радиус, ширина, длина) захвата дождем при работе машины позиционно. Степень равномерности распределения дождя по орошаемой площади характеризуется коэффициентом эффективного (Кэф), недостаточного (Кнед) и избыточного (Кизб) поливов. Исходя из агротехнических требований к дождевальным машинам и установкам, значение коэффициента эффективного полива Кэф должно быть не менее 0,7, т.е. более 70% площади должно быть полито с интенсивностью дождя не менее 0,75 ρm и не более 1,25 ρm. Во всех других случаях орошаемая площадь считается политой либо избыточно, либо недостаточно. Одним из главных экологических требований, предъявляемых к поливу дождеванием, является необходимость создания дождя с интенсивностью, не превышающей скорость впитывания воды данной почвой в конце полива на одной позиции. Превышение интенсивности дождя над впитывающей способностью почвы приводит к образованию луж и поверхностному стоку, что способствует разрушению структуры, развитию эрозии почвы. Структура почвы сохраняется при ρm = 0,1…0,20 мм/мин. Для среднепроницаемых почв возможно увеличение интенсивности дождя до 0,3, а для легкопроницаемых – до 0,5…0,8 мм/мин. Интенсивность дождя с увеличением поливной нормы и продолжительности полива следует уменьшить, так как со временем водопроницаемость почвы снижается. Снижение водопроницаемости происходит тем быстрее, чем бесструктурнее поливаемая почва. Интенсивность дождя, при которой обеспечивается подача заданной поливной нормы без образования на поверхности почвы луж и стока воды, называется допустимой. Дождевальные машины часто имеют интенсивность дождя выше скорости впитывания многих видов почв. При невозможности заменить машину полив дождеванием необходимо сопровождать мероприятиями, обеспечивающими увеличение впитывающей способности почвы и исключающими поверхностный сток. Увеличить впитывающую способность почвы мож129 но с помощью различных агротехнических и агромелиоративных мероприятий: своевременное рыхление почвы до и после полива, выращивание сельскохозяйственных культур, сохраняющих и повышающих структурность почвы, устройство на поливаемой площади микролиманов для задержания невпитавшейся воды и т.д. Подача поливных норм за несколько приемов либо полив с определенными перерывами также способствуют повышению впитывающей способности почвы. 9.1.2. Оросительная система при дождевании и её элементы Оросительная система при дождевании состоит из следующих основных элементов: 1) источник орошения, которым может быть пруд, река либо проводящий распределительный канал; 2) подводящая распределительная сеть – открытая или закрытая (главный и распределительный трубопроводы) в виде напорных трубопроводов. Трубопроводы могут быть стационарными либо передвижными; 3) насосно-силовое оборудование (насос и двигатель), которое создаёт необходимый напор для подачи и распыления воды. Насос и двигатель могут располагаться у источника воды (при подаче её в дождевальные агрегаты по напорным трубопроводам) либо на самом дождевальном агрегате – при заборе воды из открытых каналов; 4) дождевальные аппараты предназначены для получения воды из распределительного трубопровода и распыления её в мелкие капли, а также разбрызгивания по орошаемому полю. Системы дождевания бывают следующих видов: 1) передвижные – все элементы оросительной системы вместе с дождевальными агрегатами перемещаются по орошаемой площади; 2) полустационарные – насос, двигатель и главный трубопровод имеют стационарное положение, а распределительные трубопроводы и дождевальные агрегаты перемещаются; 3) стационарные – все составные части системы (кроме дождевальных агрегатов) не перемещаются, располагаются стационарно. При орошении дождеванием применяются, как правило, центробежные насосы, которые нагнетают воду непосредственно в подводящие трубы и позволяют менять расход воды и напор за счёт изменения числа оборотов. Для дождевания применяются двигатели внутреннего сгорания, электромоторы. В передвижных системах дождевания двигатели должны быть также передвижными (вдоль канала или реки). Наиболее подходящими яв130 ляются электромоторы (электротракторы) и передвижные двигатели дизельного типа (дизельные тракторы). Вода, забираемая из источника орошения для подачи в дождевальные агрегаты, разводится по орошаемым полям с помощью водопроводящей распределительной сети – напорных трубопроводов или открытых оросительных каналов. Часто применяют комбинированную сеть, которая сочетает в себе открытые каналы и закрытые трубопроводы. Безнапорные трубопроводы и комбинированную сеть применяют обычно на крупных и средних орошаемых площадях, тогда как закрытую – при орошении дождеванием небольших участков. Закрытая сеть состоит из главного и распределительного трубопроводов. Главный трубопровод проводит воду от насоса к орошаемой площади. Распределительные трубопроводы доставляют воду от главного трубопровода к дождевальным агрегатам на орошаемых полях. Ввиду высокого давления обычно применяют металлические, стальные или алюминиевые тонкостенные трубы. Постоянные трубопроводы целесообразно делать железобетонными или асбестоцементными. В дождевальные аппараты (насадки) вода поступает под требуемым напором, и в них происходит колебательно-волновой процесс движения потока воды, который продолжается и на выходе струи из насадки, и на дальнейшей траектории полета струи в воздухе. Колебательно-волновое движение (его частота) зависит от соотношения напора к диаметру насадки. 9.1.3. Классификация дождевальных устройств Дождевальные устройства необходимы для преобразования струи воды в искусственный дождь за счет естественного или принудительного разбрызгивания воды, вытекающей из насадок при достаточно большом напоре. Струя разрушается под действием сил тяжести, сопротивления среды и поверхностного натяжения. Дождевальные насадки и аппараты являются рабочими органами дождевальных машин и установок. Дождевальная насадка – устройство для образования искусственного дождя, не имеющее подвижных элементов. Дождевальный аппарат – устройство для образования искусственного дождя, а также распределения его по поливной площади, включающее подвижные элементы. Дождевальные насадки и аппараты разделяют на короткоструйные, работающие при давлении 0,05…0,25 мПа (радиус действия до 10 м), среднеструйные (от 10 до 35 м) и дальнеструйные (от 35 до 100 м), работающие при давлении 0,2…0,8 мПа. 131 Короткоструйные насадки могут быть дефлекторными, щелевыми, центробежными и др. В дефлекторных насадках струя воды, выходя под напором из выходного отверстия, обтекает обратный конус, т.е. дефлектор (отражатель) принимает коническую форму, а далее распыляется на мелкие капли. Структура дождя регулируется перемещением дефлектора (рис. 48 а). Достоинством этих насадок является равномерное распыление воды с допустимым размером капель при небольших напорах воды и затратах энергии. Недостатком является небольшой радиус разбрызгивания и высокая интенсивность дождя. Дефлекторные насадки применяются на дождевальных машинах ДДА100МА, ЭДМФ «Кубань», на дождевальных установках при поливе цветников, газонов и тепличных культур. Щелевые насадки имеют прорезь (щель) под углом 30° к горизонтальной плоскости (рис. 48 б). Угол прорези в диаметральном сечении трубы находится в пределах 60…120°, ширина прорези составляет 3…7 мм. Центробежные насадки применяют на дождевальных машинах и установках для полива скверов, цветников. Корпус насадки имеет вид плоской улиткообразной коробки, внутри которой поток воды движется по спирали. Вода, поступая через отверстие в верхней части корпуса, образует кольцевой поток с незаполненным цилиндрическим пространством в центре. В мелиоративной практике применяют в основном дефлекторные насадки и струйные дождевальные аппараты. а б Рис. 48. Короткоструйные дождевальные насадки: а – дефлекторная насадка, б – щелевая насадка; 1 – дефлектор, 2 – планка, 3 – сменное сопло, 4 – корпус Струйные аппараты создают поток воды в виде одной или нескольких высоконапорных струй, вылетающих из сопла на значительное расстояние 132 под углом к горизонтальной поверхности. По выходе из насадки струя вначале сохраняет сплошную цилиндрическую форму, затем, по мере удаления, начинает аэрироваться, поперечное сечение её увеличивается, в результате чего поток теряет сплошность и образуется пучок капель различной величины. Дальность полета струи зависит от скорости потока, напора перед аппаратом, длины и диаметра ствола аппарата. Струйные дождевальные аппараты подразделяются на средне- и дальнеструйные. Среднеструйные аппараты имеют дальность полета струи от 15 до 35 м. Среднеструйные дождевальные аппараты по типу механизма привода вращения ствола аппарата вокруг вертикальной оси делятся на две группы: коромысловые и с активной гидравлической турбинкой. К ним относятся аппараты «Роса-1», «Роса-2», «Роса-3» (рис. 49). По конструкции они однотипны и отличаются друг от друга размерами, производительностью и устройствами для секторного полива. Рис. 49. Дождевальные аппараты: а – «Роса-1»; б – «Роса-2»; в – «Роса-3» Среднеструйные дождевальные аппараты «Роса» установлены на «Днепре», «Оке», «Волжанке», «Фрегате», КИ-50 и КИ-25, а также на машинах и оборудовании для полива в движении с подводом воды по гибкому шлангу. Дальнеструйные аппараты имеют дальность полета струи от 35 до 100 м и более. По типу механизма привода вращения ствола они подразделяются на коромысловые, с активной гидравлической турбинкой, реактивные и др. 133 Дальнеструйные дождевальные аппараты используют на стационарных дождевальных системах, в стационарно-сезонных комплектах и на дождевальных машинах. Ствол аппарата может вращаться по кругу либо в заданном секторе. Дальность полета струи воды дальнеструйных аппаратов зависит от достигаемого выпрямления потока воды внутри ствола, диаметра сопла и напора воды. Качество дождя определяется отношением напора к диаметру сопла. Рис. 50. Дождевальная машина «Фрегат» Рис. 51. Дождевальная машина «Кубань» 9.1.4. Расчёт полива дождеванием В зависимости от вида используемых дождевальных устройств необходимо рассчитывать различные элементы техники полива. Определение интенсивности дождя показано в разделе 9.1.6. Продолжительность работы дождевальных машин и аппаратов (кроме «Фрегата» и ДДА-100МА) на одной позиции определяется следующим образом: mΑβ mβ , или t = ; (121) t= 60Q 10i где t – время работы машины на позиции, мин; m – поливная норма, м3/га; β – коэффи- циент, учитывающий потери воды в процессе дождевания; i – интенсивность дождя машины, мм/мин; Q – расход воды машиной, л/с; А – площадь захвата с одной позиции, м2. Для ДДА-100МА вначале устанавливают число проходов агрегата вдоль оросителя, вернее его участка (бьефа), для подачи заданной нормы: m (122) n= , h где h – слой дождя, образуемый за один проход, м3/га. 134 Полученное значение n округляют до целого числа, далее пересчитывают фактически выдаваемую поливную норму. Время одного прохода ДДА-100МА: t= lб , мин, v (123) где lб – длина бьефа, м; v – скорость движения агрегата вдоль бьефа, м/мин. Длина бьефа определяется по формуле lб = hстр − hmin − hзап i , (124) где hс т р – полная (строительная) глубина оросителя (обычно 0,6…1,1), м; hmin – минимально допустимая глубина воды в оросителе из условия нормальной работы всасывающего клапана агрегата (обычно 0,3), м; hз ап – минимально допустимое превышение дамбы оросителя над уровнем воды в нем (0,1…0,15), м; i – уклон дна оросителя. Из условия неразмываемости i = 0,001…0,002. Длина бьефа обычно 100…400 м. Продолжительность полива дождевальной машиной «Фрегат» на одной позиции определяют следующим образом. Зная минимальную поливную норму (mmin) при минимальной продолжительности одного полного оборота машины tmin (эти величины зависят от марки «Фрегата» и приводятся в технических паспортах машин), продолжительность работы «Фрегата» на одной позиции определяют по формуле t= m ⋅ tmin . mmin (125) Определение производительности дождевальных устройств. Производительность дождевальной техники часовая (wч), сменная (wсм) и суточная (wсут) определяются по формуле 3.6Q ⋅ t ⋅ K w= , га, (126) m⋅β где Q – расход дождевального устройства, л/с; t – продолжительность работы за смену или в сутки, ч; К – коэффициент полезного использования времени для полива за час, смену или сутки; m – поливная норма, м3/га; β – коэффициент, учитывающий потери воды при дождевании (испарение). Сезонную производительность (предельно допустимую сезонную нагрузку) дождевальных машин определяют для критического периода (в пе135 риод максимального водопотребления) в развитии сельскохозяйственных культур: Q ⋅ К CEЗ , га, q⋅ β (127) wсез = wCут ⋅ Т min⋅ К CEЗ , га, (128) wсез = где КСЕЗ – коэффициент использования рабочего времени за сезон; q – расчетная ордината гидромодуля в критический период водопотребления сельскохозяйственных культур для года расчетной обеспеченности, л/с ⋅ га; Тmin – минимальный межполивной период при расчетной норме полива в наиболее напряженный (критический) период развития растений для года расчетной обеспеченности, сут. Необходимое количество дождевальных машин рассчитывается следующим образом: A , (129) n= wсез где А – общая площадь орошаемого участка, га. 9.1.5. Шланговый дождеватель ДШ-10 с перемещающимися дождевальными аппаратами Шланговый дождеватель с перемещающимися по полю дождевальными аппаратами (ДШ-10) представляет собой автоматизированный поливной агрегат, который может применяться во всех зонах орошаемого земледелия для полива овощных, кормовых, плодовых и технических культур, а также для внесения с оросительной водой растворимых минеральных удобрений (рис. 56). Агрегат смонтирован на двухколесном прицепе и состоит из барабанов, на которые намотаны шланги (гибкие полиэтиленовые трубопроводы), гидропривода (для вращения барабана) и среднеструйных дождевальных аппаратов, перемещающихся на тележках. Орошение с помощью шлангового дождевателя ДШ-10 производится в движении. Вода к дождевателю подаётся от гидрантов через соединительные трубопроводы. Установка шлангового дождевателя производится оператором при помощи трактора T-20. Технологическая схема работы дождевателя ДШ-10 приведена на рисунке 56. Шланг со стороны дождевального аппарата сматывают с катушки и укладывают на полосе полива. После раскладки шланга открывают гидрант, и начинается автоматический полив. Гидропривод с заданной скоростью вращает барабан, при этом шланг с дождевальным аппаратом подтягивается к барабану и наматывается на него. 136 В конце полива, когда дождевальный аппарат вплотную подходит к барабану, подача воды автоматически прекращается. По окончании полива шланг полностью наматывается на барабан, дождеватель отключается от гидранта и перевозится на новую полосу полива. Скорость перемещения дождевального аппарата зависит от заданной нормы полива. Пример расчета I. Заданная поливная норма m = 600 м3/га. При ширине поливной полосы 50 м и перемещении аппарата на 1 м площадь полива составит: ω = l × b, м2, (130) ω = 1 × 50 = 50 м2 . На эту площадь в 50 м2 будет подан следующий объем воды: ω ⋅m W= 2 , м3 , 10000м 50м 2 ⋅ 600м 3 / га W= = 3 м3. 2 10000м (131) При расходе одного дождевального аппарата Q = 8,9 л/с (расход двух аппаратов равен 17,8 л/с) продолжительность его работы на 1 м длины гона составит: W t= Q , с, (132) где W – объем воды, вылитый на площадь в 50 м2 , л; Q – расход воды одного дождевального аппарата, л/с. 3 ⋅ 1000 t= = 337 с = 5,6 мин. 8,9 Скорость движения дождевального аппарата по полю составит: V = 0,178 м/мин, или 17,8 cм/мин. V = l/t, м/мин, V= (133) 1м = 0,178 м/мин = 17,8 см/мин, 5,6мин где l – длина гона, м; t – продолжительность работы аппарата, мин. Общее время автоматической работы дождевального аппарата на полосе полива длиной 250 м составит: То = t × l , мин, 137 (134) где t – продолжительность работы дождевального аппарата на 1 м длины, мин; l – длина поливной полосы, м. То = 5,6 × 250 = 1400 мин, или 23,3 ч. II. Заданная поливная норма m = 300 м 3/га: ω = l × b, м2, ω = l × 50 = 50 м2. Объем воды, вылитый на площадь ω = 50 м2, равен W= 50 ⋅ 300 1,5 м3. 10000 500 5 1 Зона III 3 2 4 300 x 4 = 1200 м Зона II 50 м 50 x 6 = 300 м Зона I Н.С. РИС. 52. Схема оросительной системы с дождевателями ДШ-10: 1 – гидрант; 2 – соединительный трубопровод; 3 – самонаматывающая катушка; 4 – гибкий трубопровод; 5 – дождевальный аппарат 138 Продолжительность работы дождевального аппарата на 1 м длины гона составит: W 1,5 ⋅ 1000 t= = = 168 с = 2,8 мин. 8,9 Q Скорость движения дождевального аппарата по полю составит: l t V = , м/мин, V= 1 = 0,36 м/мин, или 36 см/мин. 2,8 Общее время автоматической работы дождевального аппарата на полосе полива длиной 250 м составит: Т0 = t × l, мин, Т0 = 2,8 × 250 = 700 мин = 11,6 ч. Примечание. ДШ-10 имеет два дождевальных аппарата, которые захватывают полосу длиной 500 м и шириной 50 м. Значит, за 11,6 ч шланговый дождеватель при m = 300 м3/га орошает площадь 2,5 га. Из приведенных примеров видно, что продолжительность полива сокращается прямо пропорционально уменьшению поливной нормы, а скорость движения аппарата обратно пропорционально увеличивается. На основе расчетов строим номограмму, по которой определяем параметры работы дождевателя (рис. 53). Пример. Определить необходимое количество шланговых дождевателей ДШ-10 для орошения 250 га культурных пастбищ. Дано: ωуч = 250 га; mб = 300 м3/га. Время работы дождевальной машины в течение суток Т = 16 ч. Межполивной период Т = 12 сут, βсут = βсез = 0,9 – суточный и сезонный коэффициенты использования времени машиной. Расход воды дождевальной машиной Q = 17,8 л/с. Рис. 53. Номограмма для определения параметров работы шлангового дождевателя 139 Определяем суточную производительность ДШ-10. Qм ωсут = 3,6 × Тсут × βсут × , га, mб ωсут = 3,6 × 16 × 0,9 × (135) 17,8 = 3 га. 300 Сезонную площадь полива ДШ-10 определяем по формуле ωсез = ωсут × βсез × Т, га, (136) ωсез = 3 × 0,9 × 12 = 32,4 га. Необходимое количество ДШ-10 для орошения всего участка определяем по формуле nм = K nм = 1,2 ω уч , ω сез (137) 250 = 9,3 машины. 32,4 Принимаем 10 шланговых дождевателей. Пример. Определить время автоматической работы (рабочую скорость) ДШ-10 на полосе полива длиной 250 м при mб = 390 м3/га. По номограмме (рис. 53) находим размер поливной нормы 390 м3/га и опускаем перпендикуляр на прямую линию. Находим: Т = 15,5 ч. V = 26,70 см/мин. Движение аппарата по полю осуществляется за счет наматывания шланга на катушку. Намотка производится в два или три ряда. При поливе дождеванием большое количество энергии тратится на преодоление сопротивлений в трубопроводах. Для снижения потерь напора диаметр шлангов принимают возможно большим. Однако с увеличением диаметра резко возрастает масса 1 м трубопровода и объём воды, находящейся в нем, а также габаритные размеры катушки и в целом дождевателя. Поэтому для уменьшения расхода воды в два раза на раму дождевателя ставят два барабана, на каждый из которых наматывается шланг. Соответственно к ним придаются две тележки с дождевальными аппаратами. Это позволяет снизить потери напора в шлангах в 3,3 раза. 140 Привод механизма вращения барабанов осуществляется от гидроцилиндров. Расход воды на привод при малых скоростях движения дождевальных аппаратов составляет 0,035 л/с, а при больших ‒ до 0,22 л/с. При вращении катушки шланг наматывается на неё и перемещается по полю. Движению шланга препятствуют силы трения о поверхность земли Р, для определения которых рекомендуется формула P = K × Q + f × G1 × l1 , (138) где Q – масса тележки с дождевальным аппаратом; G1– масса 1 м шланга с водой; l1 – длина волокущейся части шланга; K – коэффициент сопротивления перекатыванию тележки; f – коэффициент трения шланга о поверхность поля. Таблица 33 Техническая характеристика ДШ-10 Потребляемая мощность от гидранта оросительной сети, кВт 1,4 Давление, МПа (кг · с/см2): 0,78 (7,8) на гидранте на аппарате 0,48 (4,8) Расход, л/с 17,8 ± 5% Площадь орошения с одной позиции, га 2,5 Рабочая ширина захвата, м 50 Рабочая длина захвата, м 500 Рабочая скорость движения техники с аппаратом, м/ч 5…15,6 Производительность (при m = 600 м3/га), га: за 1 ч эксплуатационного времени 0,09 за 1 ч основного времени 0,1 Основные показатели технологического процесса Радиус полива, м 33 ± 1 Максимальная интенсивность дождя, мм/мин 5,3 Слой осадков за проход, мм 39,1…93,4 Коэффициент эффективности полива 0,70…0,87 Средний диаметр капель, мм 1,5 Коэффициент земельного использования 0,97 Масса машины (конструктивная), кг 1990 1 чел. на четыре маОбслуживающий персонал шины Масса дождевателя ДШ-10 составляет 55,1 кг, масса 1 м шланга наружным диаметром 75 мм, наполненного водой, – 4,3 кг. Длина волокущейся части шланга в начале полива равна его полной длине, а в конце ‒ нулю. Значения коэффициентов К и f приведены в таблице 34. 141 Таблица 34 Значения коэффициентов К и f Коэффициент К f Пашня мокрая 0,375 0,44 Стерня сухая 0,182 0,46 мокрая 0,30 0,45 сухая 0,37 0,52 По данным исследований, при использовании дождевателя ДШ-10 производительность труда увеличивается в 1,22 раза по сравнению с дождевателями ШД-25/300 и в 49 раз ‒ по сравнению с КИ-50. 9.1.6. Колесный дождевальный трубопровод «Ока» Дождевальная машина «Ока» предназначена для полива низкостебельных сельскохозяйственных культур, состоит из двух крыльев, работает позиционно с водозабором от гидрантов закрытой оросительной сети (рис. 54). Водопроводящий трубопровод каждого крыла собран из взаимозаменяемых секций алюминиевых труб диаметром 150 мм и длиной 11,8 м с жестко закрепленными на них колесами и автоматическими сливными клапанами. В середине крыла установлена тележка с гидроприводом для перекатывания трубопровода с позиции на позицию. В качестве гидродвигателя использован поршневой цилиндр двустороннего действия. Вдоль водопроводящего трубопровода проложен управляющий трубопровод, который служит для подачи воды в гидропривод и для управления работой дождевальных аппаратов во время полива. На каждом крыле машины установлено по 16 дождевальных аппаратов «Роса-3М», которые работают поочередно: одновременно включаются в работу четные или нечетные аппараты. Рис. 54. Колёсный дождевальный трубопровод «Ока»: 1 – питающий трубопровод; 2 – трубопровод оросительной сети; 3 – гидрант оросительной сети; 4 – узел присоединения; 5 – водопроводящий трубопровод; 6 – переключатель аппаратов; 7 – управляющий трубопровод; 8 – переходная муфта гидропривода; 9 – ведущая тележка; 10 – дождевальный аппарат с механизмом самоустановки; 11 – противоветровые тормоза; 12 – концевая заглушка; 13 – клапан; 14 – опорное колесо 142 Технологический цикл работы дождевальной машины «Ока» состоит из процесса полива орошаемого участка на каждой позиции, переездов от гидранта к гидранту и холостого перегона крыльев машины с последней позиции орошаемого участка на исходную для начала второго цикла. К гидранту оросительной сети каждое крыло присоединяется при помощи колонки и гибкого шланга узла присоединения. Расчёт полива дождевальной машиной «Ока» Расчет полива дождеванием включает: определение интенсивности дождя (I) , продолжительности стоянки дождевальной машины на одной позиции (Тст), определение суточной и сезонной производительности (ωсут, ωсез), необходимое количество одновременно работающих дождевальных машин (nм). Интенсивность дождя находим по формуле I= 60 ⋅ Qм ωп ⋅ К , мм/мин, (139) где I – интенсивность дождя, мм/мин; Qм – расход воды дождевальной машиной, л/с; ωп – площадь полива с одной позиции, м; К – коэффициент, учитывающий условия полива площади на одной стоянке, К = 0,90…0,95. Продолжительность стоянки дождевальной машины на одной позиции определяем по зависимости mб ⋅ β Тсм = , мин, (140) 10 ⋅ I где Тсм – продолжительность стоянки на одной позиции дождевальной машины, мин; mб – поливная нopмa брутто, м3/га; I – интенсивность дождя, мм/мин; β – коэффициент, учитывающий испарение воды при дождевании, β = 1…1,3. Суточную производительность определяем по формуле ωсут = 3,6 × Т × β сут × Qм , га, mб (141) где ωсут – суточная производительность дождевальной машины, га; Тсут – продолжительность работы дождевальной машины в течение суток, ч; β сут – коэффициент ис- пользования рабочего времени в течение суток, β = 0,8; Qм – расход воды дождевальной машиной, л/с; mб – поливная норма брутто, м3/га. Сезонную площадь полива определяем по формуле ωсез = ωсут × βсез × Т , га, (142) где ωсез – сезонная площадь полива, га; β сез – коэффициент использования рабочего времени в течение сезона, β сез = 0,8; Т – межполивной период, сут. 143 Для кормового и овощного севооборотов Т = 10…12 сут. Для полевого ‒ Т = 12…13 сут. Число одновременно работающих дождевальных машин определяем по формуле nм = Кз ω уч.н ω сез (143) , где Кз – коэффициент запаса, Кз = 1,2; ωуч.н – площадь орошаемого участка нетто, га; ωсез – площадь орошения одной машиной за сезон, га. Пример. Провести расчёт полива дождеванием машиной «Ока». Дано: ωуч.б = 300 га; КЗИ = 0,98; число полей n = 6; К = 0,94; mн = 300 м3/га; mбр = 330 м3/га; Т = 12 сут; Тсут = 16 ч; β сут = β сез = 0,8; Q = 100 л/с. Площадь участка нетто равна ωуч.н = 300 × 0,98 = 294 га. Площадь одного поля севооборота: ωб = ωуч.б /n = 300/6 = 50 га; ωн = ωуч.н /n = 294/6 = 49 га. Интенсивность дождя, создаваемого дождевальной машиной «Ока», определяем по формуле (139): I= 60 ⋅ Qм 60 ⋅100 = = 0,22 мм/мин, ωп ⋅ К 800 ⋅ 36 ⋅ 0,94 ωп = 800 × 36 = 28800 м2. Время стоянки на одной позиции вычисляем по формуле (140): Тст = mб ⋅ β 330 ⋅11 = = 165 мин. 10 ⋅ 0,22 10 ⋅ I Площадь полива одной машиной за сутки определяем по формуле (141): ωсут = 3,6 × 16 × 0,8 100 = 13,96 ≈ 14 га. 330 Площадь полива одной машиной за сезон вычисляем по формуле (142): ωсез = ωсут × βсез× Т = 14 × 0,8 × 12 = 134,4 га. Необходимое число машин для одновременного полива заданной площади определяем по формуле (143): nм = 1,2 294 = 2,6 шт., 134,4 принимаем три машины. 144 Техническая характеристика ДМ «Ока» Число крыльев, шт. Расстояние между оросительными трубопроводами, м Подача воды двумя крыльями, л/с Марка дождевального аппарата Диаметры сопел дождевального аппарата, мм Число дождевальных аппаратов на крыле, шт. Число одновременно работающих аппаратов, шт. Расход дождевального аппарата, л/с Расстояние между гидрантами, м Площадь полива с одной позиции, га Привод ведущей тележки Скорость переезда при смене позиции, м/мин Расход воды гидроприводом крыла, л/с Средний слой осадков, мм/мин Коэффициент земельного использования Производительность за 1 ч основного времени при m = 600 м3/га, га Габариты одного крыла, м: длина ширина высота Таблица 35 2 800 100 Роса-3М 7 16 8 6,3 36 2,88 Гидравлический от оросительной сети 4,4…9 1…3 0,21 0,98 0,60 379,5 5,96 1,9 Фактическая площадь полива одной машиной за сезон составит: ωсез = ω уч.н nм = 294 = 98 га. 3 После выдачи заданной поливной нормы крылья поочередно перегоняют с позиции на позицию. Для этого оператор закрывает гидрант, отключает от него узел присоединения машины и затем выполняет операции, связанные с подготовкой машины к переезду. По сравнению с ДКШ-64 «Волжанка» (рис. 55) дождевальная машина «Ока» имеет следующие технико-эксплуатационные и экономические преимущества: увеличение расхода с 64 до 100 л/с и площади полива с одной позиции с 1,44 до 2,88 га, обеспечение круглосуточного полива, улучшение условий труда за счет сокращения переходов по полю; сокращение числа установленных двигателей внутреннего сгорания, расхода горюче-смазочных материалов, использование энергии оросительной воды для переездов и управления работой дождевальных аппаратов; уменьшение стоимости оросительной сети за счет сокращения числа гидрантов в 2 раза. 145 Рис. 56. Дождевальная машина барабанного типа Рис. 55. ДШК-64 «Волжанка» 9.2. Полив газонов дождеванием Для полива газонов и декоративных культур можно использовать дождевальные установки «Hunter» (рис. 57), ДШ-1, ДШ-32 и др. (приложения 3, 4, 5). 9.2.1. Расчет полива дождеванием При расчете полива дождеванием определяются: интенсивность дождя (I), время работы дождевателя (Тст) на одной позиции при заданной поливной норме (m), суточная (ωсут) и сезонная (ωсез) производительности системы полива, а также количество одновременно работающих дождевателей (nд), необходимых для полива заданной площади газона (ω). Интенсивность дождя дождевальной установки «Hunter» при расстановке гидрантов по треугольнику (приложение 4) рассчитывают по формуле (84): I= Q м ⋅ 60 , ωст ⋅ К где I – интенсивность дождя, мм/мин; Qм – расход воды машиной, л/с; К – коэффициент, учитывающий условия работы машины, К = 0,95; ωст – площадь увлажнения одним дождевателем, м2. Рис. 57. Дождевальные аппараты «Hunter» при поливе газонов 146 Подставляя в формулу (84) значения, получим I= 60 ⋅ 2,77 60 ⋅ 2,77 = = 0,09 мм/мин. 2 3,14 ⋅ 25 ⋅ 0,95 1963 ⋅ 0,95 Продолжительность полива одним дождевателем (Тст): Тст = mб , 10 ⋅ I где mб – поливная норма брутто, м3/га. Коэффициент перевода 1 мм слоя воды в м3/га рассчитывается следующим образом: 1 мм = 0,001 м; 1 га = 10000 м2; 1 мм слоя воды = 0,001 ⋅ 10000 = 10 м3/га. Пример. В задании дается поливная норма mн = 200 м3/га. Определить время работы дождевателя, чтобы вылить заданную поливную норму. mбр = 1,1⋅ mн = 1,1 ⋅ 200 = 220 м3/га, I = 0,09 мм/мин. Тст = 220 = 244 мин = 4 ч 04 мин. 10 ⋅ 0,09 Суточную производительность одного дождевателя «Hunter» определяем по формуле (86): ωсут = 3,6 ⋅ Т ⋅η сут ⋅ Qд , mб где ηсут – коэффициент использования рабочего времени в течение суток, ηсут = 0,8; Т – число часов работы машины в течение суток. Принимаем Т = 16 ч. ωсут = 3,6 ⋅ 16 ⋅ 0,8 ⋅ 2,77 = 0,58 га. 220 Сезонная производительность дождевальной установки «Hunter» (142): ωсез = ωсут · t · ηсез , где ηсез – коэффициент использования рабочего времени в течение сезона, ηсез = 0,8; t – межполивной период или время полива участка заданной площади, для газона t = 2…4 сут, принимаем t = 3 сут, тогда ωсез = 0,58 ∙ 0,8 ∙ 3 = 1,39 га. Количество одновременно работающих дождевателей на поливном участке (143): nм = Кз · ωун /ωсез , где nм – количество одновременно работающих дождевателей, шт.; Кз – коэффициент запаса, Кз = 1,1; ωун – площадь орошаемого участка нетто, га. nм = 1,1 ⋅ 25/1,39 = 18 дождевателей (3 линии). 147 Так как на одной линии должно располагаться не более шести дождевателей (в нашем случае их шесть), то одновременно работающих трубопроводных линий будет три (18 дождевателей / 6 = 3 линии). При этом расход воды одной линии (Qл), на которой находятся шесть дождевателей, будет составлять: Рис. 58. Дождеватели «Hunter» различных модификаций Q л = пд ⋅ Qд , (144) Q л = 6 ⋅ 2,77 = 16,62 л/с. Так как по расчёту при поливе участка будут одновременно работать 18 дождевателей (рис. 58), то общий расход воды, который необходимо подавать в оросительную сеть, т.е. расход воды магистрального трубопровода (МТ), составит: Q мт = Qд ⋅ nобщ , (145) Q мт = 2,77 ⋅ 18 = 49,86 л/с. 9.2.2. Гидравлический расчёт напорной оросительной сети При проектировании напорных трубопроводных систем определяющее значение имеют их гидравлические расчеты. Они служат основой для определения диаметра труб и подбора насосного оборудования, которые обеспечивают пропускную способность требуемого расхода вод в течение всего срока эксплуатации. Качество выполненных гидравлических расчетов определяет экономичность как самого трубопровода, так и всего комплекса связанных с ним сооружений. Полимерные трубы имеют очень гладкую внутреннюю поверхность и малые гидравлические потери, что позволяет использовать трубы меньшего диаметра, чем стальные. Монтаж становится более компактным и экономичным. На орошаемом участке полевые трубопроводы не закольцованы, из каждого полевого трубопровода воду забирает один или несколько (6 шт.) дождевателей. Для полива всей площади требуется 88 дождевателей, из них 12 ‒ на первых двух и 10 ‒ на последующих двух полевых трубопроводах (рис. 59). 148 Расход полевого трубопровода равен расходу воды, потребляемой шестью дождевателями, установленными на одной трубопроводной линии, с учетом потерь в сети: (144) Qпт = Qм / η ос , Qпт = 16,62/0,98 ⋅ 1000 = 0,017 м3/с. Рис. 59. Схема оросительной сети Диаметр полевого трубопровода. Рекомендуемые скорости прохождения воды в трубопроводах из поливинилхлоридных труб V = 1,0…3,0 м/с, принимаем V = 1 м/с. Диаметр полевого трубопровода определяем по формуле d пт = 1,13 d пт = 1,13 Qпт , V (145) 0,017 = 0,147 м, по ГОСТу 539-65 (ВТ-9) dпт = 0,141 м. 1 Проверяем скорость по формуле Vпт = 1,27 ⋅ Q / d 2 , (146) Vпт = 1,27 ⋅ 0,017/0,1412 = 1,08 м/с. Полученная скорость находится в допустимых пределах. Диаметр распределительного трубопровода. Распределительный трубопровод – это тот участок труб, на котором работают два и более полевых трубопроводов. При работе двух полевых трубопроводов расход распределительного трубопровода вычисляем по формуле Q рт = nпт ⋅ Qпт / η рт , 149 (147) Q рт = 2 ⋅ 0,017/0,99 = 0,034 м3/с. где nпт – число дождевальных линий (полевых трубопроводов), работающих на распределительном трубопроводе, шт. Скорость V = 1 м/с, тогда 0,034 = 0,208 м, по ГОСТу 539-65 ВТ-9 dрт = 0,189 м. 1 Проверяем скорость: V рт = 1,27 ⋅ 0,34/0,1892 = 1,23 м/с. d рт = 1,13 Расход магистрального трубопровода определяется числом одновременно работающих дождевателей (линий) на всём участке. По предыдущим расчётам одновременно работают 18 дождевателей на трех линиях: Qмт = N общ ⋅ Qпт / η мт , (148) где N общ – число одновременно работающих дождевальных линий на участке, 3 шт.; η мт = 0,99. Q мт = 3 ⋅ 0,017/0,99 = 0,052 м3/с. Диаметр магистрального трубопровода определяется по формуле (145): Q мт . V Напорные трубопроводы проектируем из поливинилхлоридных труб. Скорость V = 1,0…3,0 м/с, принимаем V = 1 м/с. d мт = 1,13 d мт = 1,13 0,052 = 0,257 м, по ГОСТу 539-65 (ВТ-9) dрт = 0,235 м. 1,0 Проверяем скорость: V = 1,27 ⋅ 0,052/0,2352 = 1,20 м/с. Полученная скорость находится в допустимых пределах. Результаты гидравлического расчета записываем в таблицу 36. Диаметр всасывающего трубопровода. Диаметр всасывающего трубопровода не рассчитывают по формуле, его принимают по ГОСТу для стальных труб близким к диаметру всасывающего патрубка каждого центробежного насоса. 150 Таблица 36 Характеристика закрытой напорной оросительной сети из поливинилхлоридных трубопроводов Магистральный 0,052 Длина трубопровода, L, м (с плана) 300 Распределительный 0,034 300 0,189 1,23 Полевой 0,017 250 0,141 1,08 Наименование трубопровода Расход, Q, м3/с Диаметр трубопровода (по ГОСТу), d, м 0,235 Скорость воды, V, м/с 1,20 9.2.3. Подбор насоса и двигателя для оросительной сети. Выбор типа насоса и расчет его напора Для подачи воды в закрытую оросительную сеть рекомендуется применять центробежные насосы с электродвигателями. Они не имеют трущихся частей, а следовательно, надежно работают при заборе воды, содержащей значительное количество наносов. Кроме того, они создают большой напор в закрытой сети. Марку насоса подбирают по расчётному расходу насосной станции и полному напору в закрытой сети. Расчетный расход насосной станции определяют по формуле (95). Он равен Oмт = 0,052 м3/с. Полный напор рассчитывают по выражению (149) Нп = Нв + Нн , где Нп – полный напор насоса, м; Нв – напор во всасывающей линии трубопровода, м; Нн – напор в нагнетательном трубопроводе, м. Напор во всасывающем трубопроводе: H в= hr + hтв + hмс , (150) Н в = 2,7 + 0,5 + 1,3 = 4,5 м, где hг – геодезический напор во всасывающей линии, м; hтв – потери напора на трение воды по длине трубопровода, м; hмс – потери напора на местные сопротивления (сетка, клапан, колено, задвижка и т.д.). Схема водозабора представлена на рисунке 60. hг = Н он − Н мг , (151) где Нон – отметка оси насоса, м; Нмг – отметка меженного горизонта в р. Яхроме. 151 Hо.н 0,5 101,3 2,2 hг=2,7 99,3 Рис. 60. Схема водозабора Н гв = Н он − Н мг = 102,0 – 99,3 = 2,7 м, Vв2 Lв 1 22 50 hтв = λ ⋅ = ⋅ ⋅ = 0,5 м, 2 g d в 40 2 ⋅ 9,81 0,5 где (152) λ – коэффициент сопротивления трению; Vв – скорость воды во всасывающем тру- бопроводе, Vв = 1,5…3 м/с, принимаем Vв = 2 м/с; g = 9,81 – ускорение свободного падения, м/с2; Lв – длина всасывающего трубопровода; dв = 500 мм, или 0,5 м. Потери напора воды на преодоление местных сопротивлений определяем по формуле hмс = β ⋅ V2 22 = 6,5 ⋅ = 1,3 м, 2g 2 ⋅ 9,81 (153) где β – коэффициент, учитывающий потери напора во всасывающем трубопроводе (сетка, клапан, колено, задвижка и пр.), β = 6,5. Полный напор во всасывающей линии сравнивают с величиной вакуума, который указан в паспорте насоса. Он равен 4…6 м. Если потери напора во всасывающей линии окажутся больше вакуума насоса (приложение 1), необходимо понизить площадку насосной станции, чтобы hвг = h вакуума (1…1,5 м). Определение напора в нагнетательной линии: Нн = hгн + hтн + hмс + hгидр , (154) где hгн – геодезический напор на нагнетательной линии, м; hтн – потери напора на преодоление трения в нагнетательном трубопроводе, м; hмс – потери на преодоление местных сопротивлений в нагнетательном трубопроводе, м; hгидр – свободный напор на дождевателе принимают равным 40…60 м. Геодезический напор на нагнетательной линии находят по формуле hгн = Нг – Нон , hгн = 103 – 102 = 1 м, 152 где Нг – отметка самого высокого гидранта на орошаемой площади (103,0 м); Нон – отметка оси насоса (102,0 м). Потери напора воды на преодоление сопротивления трения определяют для каждого конкретного случая по зависимости hТР где V 2 Lн =λ⋅ ⋅ , 2g dн (155) λ – коэффициент сопротивления трению (зависит от материала трубопровода); V – скорость течения воды в нагнетательном трубопроводе, м/с (табл. 36); Lн – длина напорного трубопровода, м (табл. 36); dн – диаметр трубопровода, м (табл. 36). Коэффициент сопротивления трению (λ) определяют по формуле λ = 0,5 / (lg(3,7 D / ξ э ))2 , (156) где ξэ – нормативная эквивалентная шероховатость, мм (приложение 10); D – диаметр трубопровода, мм (табл. 36). Используя при монтаже оросительной сети трубопроводы соответствующих диаметров из ПВХ (поливинилхлорид), определяем коэффициенты сопротивления трению: 4) для полевого трубопровода λпт = 0,5 / (lg(3,7 ⋅ 141 / 0,005))2 = 0,020 ; 5) для распределительного трубопровода λ рт = 0,5 / (lg(3,7 ⋅189 / 0,005))2 = 0,019 ; 6) для магистрального трубопровода λ мт = 0,5 / (lg(3,7 ⋅ 235 / 0,005))2 = 0,018 . Определяем потери напора на преодоление трения в нагнетательной линии как сумму потерь в трубопроводах (155): 2 2 2 V рт L рт Vпт Lпт мт , + λ рт ⋅ ⋅ гост + λ мт ⋅ Vмт ⋅ Lгост hТР = λпт ⋅ ⋅ гост 2 g d рт 2 g d пт 2 g d мт hТР 1,232 300 1,082 250 1,20 2 300 = 0,020 ⋅ ⋅ ⋅ + 0,019 ⋅ ⋅ + 0,018 ⋅ , 2 ⋅ 9,81 0,141 2 ⋅ 9,81 0,235 2 ⋅ 9,81 0,189 hТР = 2,11 + 2,33 + 1,69 = 6,13 м . Потери напора воды на преодоление местных сопротивлений: hмс = 0,1× hтн , 153 (157) hмс = 0,1 × 6,13 = 0,61 м. Свободный напор на гидранте примем равным hгидр = 50 м, тогда напор в нагнетательной линии составит (154): hн = 1,0 + 6,13 + 0,61 + 50 = 57,74 м. Зная полный напор и расход насосной станции, по номограммам подбирают марку насоса. Если по номограмме расход меньше расчетного расхода насосной станции, то определяют необходимое количество насосов и добавляют 1‒2 резервных. Зная расход каждого насоса и напор, определяют по номограмме их марку. После чего из каталога в пояснительную записку выписывают их характеристику. В нашем случае одновременно работают 18 дождевателей «Hunter»; расход Q мт = 0,052 м3/с. Находим полный напор насосной станции по выражению (149): Нп = hв + hн , Нп = 4,5 + 57,74 = 62,24 м. По каталогу (приложение 1) выбираем центробежный насос, который способен обеспечить полный напор насосной станции 62,24 м, а также расчётный расход в оросительной сети, соответствующий расходу в магистральном трубопроводе Q мт = 0,052 м3/с = 52 л/с. Данные параметры может обеспечить насос марки 4К-6а: Нн = 82…61,6 м, Q н = 18…34,8 л/с. Так как производительность насоса Qн = 18…34,8 л/с, а расчётный расход сети Qмт = 0,052 м3/с = 52 л/с, то потребуется установить два насоса (52/26 = 2 шт.). Техническая характеристика насоса 4К-6а: Qн = 18…34,8 л/с; КПД ηн = 0,66; Нн = 82…61,6 м, n = 2900 об/мин.; доп. Н зак. = 7,1 − 4,6 м . Проверяем мощность насоса: Nн = Qн ⋅ Н н , 102 ⋅η н (158) где Qн – производительность насоса, л/с; Нн – полный напор, обеспечиваемый насосом, м; ηн – коэффициент полезного действия насоса, в долях; 102 – переводной коэффици- ент из л.с. в кВт. Подставив значения в формулу (158), получаем мощность насоса: 154 Nн = 26 ⋅ 62,5 = 24,1 кВт. 102 ⋅ 0,66 Насосы типа Д выпускаются с упругой муфтой для непосредственного соединения с электродвигателем и монтируются с последней на общей фундаментной плите, следовательно, мощность двигателя, с учётом потерь, должна быть в среднем на 15% выше мощности насоса: Nдвиг. = 1,15 ⋅ Nн , (159) Nдвиг. = 1,15 ⋅ 24,1 = 27,7 кВт. По каталогу (приложение 2) подбираем к насосу электродвигатель таким образом, чтобы мощность электродвигателя соответствовала расчётной мощности (Nдвиг.), а частоты вращения валов насоса и электродвигателя не отличались более чем на 50 об./мин. В нашем случае необходимо установить два электродвигателя марки А-71-2 с мощностью 28,0 кВт и частотой вращения ротора 2930 об./мин. 9.3. Микродождевание Микродождевание относится к локальному увлажнению и является одним из наиболее прогрессивных способов полива садов, особенно на склоновых землях. По сравнению с обычным дождеванием оно более экономично по затратам энергии и воды и позволяет получить прибавку урожая плодовых культур на 20…40%. Экономия воды происходит за счет увлажнения лишь 30…50% всей площади (локальные), а также за счет снижения потерь на испарение. Вода подается к растению с помощью одного или нескольких микродождевателей (микронасадок) различной конструкции (рис. 61, 62). В зависимости от высоты расположения микронасадок (что определяется, как правило, видом культуры) микродождевание делится на надкроновое, подкроновое и внутрикроновое. Система микродождевания работает при напорах 10…40 м. Расход воды микродождевателя зависит от типа насадки и составляет 15…80 л/ч при дальности распыления воды 0,5…6,6 м. Интенсивность дождя микронасадок 0,1…1,0 мм/мин, размер капель всего 0,05…0,50 мм. Такое качество дождя исключает эрозию и образование уплотненной корки на поверхности почвы. Микродождеватель по сравнению с капельницей имеет больший диаметр водовыпускного отверстия и соответственно меньшую засоряемость и большую площадь увлажнения. Площадь увлажнения от микродождевателя 155 зависит от силы, направления ветра, типа насадки и имеет форму эллипсоида размером 1,5…3,0 м. Система микродождевания состоит из подводящего, распределительного и поливных трубопроводов, проходящих вдоль рядков растений, на которых установлены микродождеватели. Трубопроводы могут располагаться над и под землей. Насосная станция устанавливается возле водоисточника и снабжается устройством для фильтрации оросительной воды. В голове каждого поливного трубопровода устанавливается регулятор давления для обеспечения равномерности водоподачи микродождевателями (разработки ВНИИГиМ) (рис. 61). Рис. 61. Микродождеватель Рис. 62. Подкроновый микродождеватель Для увлажнения листовой поверхности и улучшения параметров микро- и фитоклимата, что, в свою очередь, приводит к еще большей экономии воды, целесообразно применение мелкодисперсных распылителей внутрикронового дождевания. Микродождеватели выполнены в виде щелевой насадки ВНИИГиМ (рис. 62). 1 – накопительный резервуар; 2 – очистное сооружение; 3 – инжектор; 4 – участковый распределитель; 5 – регулятор давления; 6 – микродождеватель 156 Рис. 63. Схема системы микродождевания 9.4. Капельное орошение Капельное орошение относится к одному из видов локального микроорошения, при котором вода подается непосредственно в корнеобитаемую зону растений с помощью капельниц (микроводовыпусков). Основной принцип капельного орошения – постоянное обеспечение растений водой и удобрениями в соответствии с их требованиями к водному и питательному режимам в течение всего периода вегетации. Это достигается путем дозированной подачи воды с растворенными в ней питательными элементами через капельницы малыми нормами. При этом создается оптимальный водновоздушный режим в корнеобитаемом слое почвы, что приводит к увеличению урожайности сельскохозяйственных культур. В корнеобитаемый слой вода подается по сети расположенных на поверхности или внутри почвы пластмассовых трубопроводов с имеющимися на них микроводовыпусками-капельницами (рис. 64). Воду подают ежесуточно либо один раз в несколько суток (в течение 3…4 ч и более) очень малым расходом Рис. 64. Капельное орошение посевов лука (0,9…9,1 л/ч), что обеспечивает капельное ее поступление в почву непосредственно у корня растения. К преимуществам капельного орошения относятся: значительная экономия оросительной воды (до 50%); возможность поливать крутые склоны, подавать удобрения и ядохимикаты вместе с оросительной водой; отсутствие необходимости планировки; меньшие энергозатраты по сравнению с дождеванием. Недостатки капельного орошения: засорение и зарастание отверстий микроводовыпусков; неравномерное распределение воды капельницами; возможность повреждения грызунами пластмассовых труб. Целесообразно применение капельного орошения на землях со сложным рельефом и значительными уклонами, где невозможно применение другой техники полива; на легких незасоленных почвах при малой минерализации оросительной воды. 157 Наибольшее распространение капельное орошение получило в США, Израиле, Австралии, Германии, Франции, Италии. Перспективными районами развития этого способа полива являются Средняя Азия, Закавказье, прибрежные районы Каспийского и Черного морей, юг Украины, а также Молдова. Экономически целесообразно применять капельное орошение при возделывании высокодоходных многолетних культур (плодовые, виноградники, ягодники, а также тепличные культуры), так как стоимость систем капельного орошения составляет 2…5 тыс. долл. США на 1 га. 9.4.1. Схема оросительной сети Система капельного орошения состоит из модульных участков площадью 9…10 га. Основные элементы системы капельного орошения – водозаборные сооружения, насосная станция, узел очистки воды и приготовления удобрений, трубопроводная сеть (магистральные, распределительные и участковые трубопроводы) с регулирующей и запорной арматурой, поливные трубопроводы с микроводовыпусками-капельницами, линии связи, система автоматизации (рис. 65). Рис. 65. Элементы трубопроводной сети системы капельного орошения Источником орошения могут быть реки, озера, водохранилища, обводнительные и оросительные каналы, воды местного поверхностного стока, а также подземные воды. Насосная станция оборудована низконапорными насосами и снабжена фильтрами для грубой предварительной очистки воды и сорозадерживающими устройствами. 158 Магистральные, распределительные и участковые трубопроводы системы капельного орошения укладывают на глубину 0,7…0,8 м и более от поверхности земли. Расположение поливных трубопроводов может быть наземным и надземным, т.е. они могут укладываться непосредственно на поверхности земли в приствольной полосе либо крепиться к нижнему ряду шпалерной проволоки на высоте 0,5…0,7 м. Капельницы необходимо располагать на расстоянии не менее 0,5 м от штамба растений. Рис. 66. Основная схема системы капельного орошения: 1 – водозаборный узел; 2 – напорообразующий узел; 3 – головная задвижка; 4 ‒ фильтр; 5 – водомерное устройство; 6 – манометр; 7 – каналы связи; 8 – подкормщик; 9 ‒ магистральный трубопровод; 10 – распределительный трубопровод; 11 – дистанционно управляемая задвижка; 12 – оросительные трубопроводы; 13 – микроводовыпуски (капельницы); 14 – датчик необходимости полива; 15 – пульт управления Расстояние между капельницами на поливных трубопроводах определяют в зависимости от впитывающей способности почвы (рис. 67), размеров корневой системы и водопотребления растений. Капельницымикроводовыпуски, устанавливаемые на поливном трубопроводе, могут иметь от одного до четырех водовыпусков. 159 Количество капельниц зависит от площади распространения корневой системы сельскохозяйственных культур, водно-физических свойств почвы, расходов водовыпусков. Схема расположения капельниц для полива садовых культур показана на рисунке 66. Расположение и параметры оросительной сети определяются конфигурацией участка, уклонами местности, типом почвы, видами возделываемых культур. Рис. 67. Характерные контуры увлажнения при капельном орошении: а – на тяжелых по гранулометрическому составу почвах, б – на легких по механическому составу почвах; 1 – поверхность почвы, 2 – капельный микроводовыпуск, 3 – очаг переувлажнённой почвы, 4 – очаг нормально увлажненной почвы, 5 – очаг частично увлажненной почвы, 6 – граница распространения увлажнения 9.4.2. Характеристики и конструкции капельниц В настоящее время разработано большое количество конструкций капельниц. Все типы капельниц имеют устройство для гашения напора в сети и один или несколько водовыпусков. Капельницы последнего поколения оборудованы также устройствами для стабилизации расхода при переменном давлении в сети и самоочистки водопроводящих микроканалов от взвешенных наносов. Основные типы капельниц: с лабиринтными и спиральными каналами гашения напора; с поплавковым регулятором расхода; с лабиринтным компенсатором, обеспечивающим постоянный расход при изменении давления в сети от 0,05 до 0,4 мПа (рис. 68). 160 а б в Рис. 68. Микроводовыпуски (капельницы) различных конструкций: а – микроводовыпуск «Водполимер-3», б – микроводовыпуск «Молдавия-1А», в – «Горная»; 1 – присоединительный штуцер, 2 – камеры давления, 3 – дозирующие каналы, 4 – мембрана-прокладка, 5 – водовыпуск Наиболее универсальны капельницы с лабиринтным компенсатором давления (рис. 69), которые применяют для орошения культур на склоновых землях. Поплавковые капельницы применяют, как правило, при использовании мутной воды. Рис. 69. Микроводовыпуск, встроенный в капельную линию Разработана также низконапорная система капельно-струйчатого орошения (ВНИИГиМ), где микроводовыпуски выполнены в виде подвесного стаканчика с выпускным отверстием в его дне. Равномерная и стабильная водораздача вдоль поливных трубопроводов обеспечивается за счет создания примерно равного заполнения водой всех стаканчиков-водовыпусков. 161 9.4.3. Режим орошения Режим водоподачи зависит от нормы, сроков и продолжительности поливов на орошаемый период, зоны увлажнения, расхода и числа капельниц, схемы их расположения, водно-физических свойств почвы. Поливную норму определяют по формуле m = 100jhA(wHB – wо) , (160) где h – глубина расчетного слоя почвы, м; j – объемная масса почвы, т/м3; А – доля площади питания растений, подлежащая увлажнению (около 0,3); wHB – наименьшая влагоемкость от массы абсолютно сухой почвы, %; wо – влажность почвы, соответствующая нижней границе оптимального увлажнения. Продолжительность водоподачи: m , с, t= Ef ⋅ q ⋅ n (161) где Ef – коэффициент использования воды, равный 0,96…0,98; q – расход капельницы, л/с; n – число капельниц на 1 га. Характерные контуры увлажнения для тяжёлых и лёгких почв приведены на рисунке 73. Ординату графика гидромодуля рассчитывают по формуле q= m 86.4t , л/с ⋅ га. (162) Площадь одновременного полива: Aо = A , га, ∆tmin где А – площадь модульного участка, га; сут. (163) ∆tmin – минимальный межполивной период, Число и схема расположения точек водоподачи, площадь увлажнения зависят от вида культур, водно-физических свойств почвы. Доля площади, увлажняемой капельницами, определяется по формуле ndrAi A= , (164) ab где ndr – число капельниц на одно растение; Аi – площадь увлажнения от одного водовыпуска, м2; a и b – расстояния междурядий и между растениями, м. 162 а б Рис. 70. Капельное орошение садов и овощных культур 9.4.4. Капельное орошение саженцев плодовых культур Режим орошения саженцев плодовых культур отличается от режимов орошения других сельскохозяйственных и декоративных культур. Правильное и своевременное выполнение всех технологических процессов, в первую очередь поддержание оптимальной влажности почвы и режима питания в соответствии с требованиями растений по фазам развития, является основополагающим моментом создания благоприятных условий произрастания, что будет способствовать получению высококачественных саженцев и, впоследствии, ежегодному плодоношению растений. Капельное орошение позволяет поддерживать влажность в почве на оптимальном уровне в соответствии с требованиями растений и изменяющимися погодными условиями. Для условий Нечерноземной зоны России среднесуточное водопотребление саженцев яблони составляет 20…30 м3/га, следовательно, поливная норма должна компенсировать этот расход, чтобы поддерживать запасы влаги в активном слое почвы в оптимальном диапазоне. Отсюда следует, что поливная норма m должна соответствовать водопотреблению Е, т.е. m = E. 9.4.4.1. Схема расположения трубчатых увлажнителей при выращивании плодовых саженцев Поливные трубопроводы со встроенными капельницами (капельные линии) укладывают на поверхности почвы. Для равномерности увлажнения, в соответствии с капиллярными свойствами корнеобитаемой среды, капельные линии укладывают с надлежащим расположением междурядий с расстоянием 1,0…1,2 м. Капельницы должны находиться на расстоянии 0,3 м с учётом схемы посадки саженцев в ряду (рис. 71). 163 Рис. 71. Схема устройства капельной системы при орошении плодовых саженцев Для полива саженцев можно использовать капельную линию, выпускаемую израильской компанией «Нетафим», с расходом воды 1,0 л/ч. При расстоянии между увлажнителями 1,0 м и расположении на капельной линии водовыпусков через каждые 0,3 м на 1 м2 будет расположен один увлажнитель с тремя капельницами, т.е. за 1 ч на 1 м2 расход будет составлять 3,0 л воды, или 30 м3/га, с учётом доли увлажнения почвы капельницами. Следовательно, для поддержания требуемого режима орошения (Е = m = 25…30 м3/га в сутки), в зависимости от фазы развития растений и притока суммарной солнечной радиации, необходимая подача воды будет составлять от 1,0 до 6,0 л/сут, т.е. время подачи воды будет варьировать от 0,33 ч (20 мин) до 2,0 ч (120 мин). 9.4.4.2. Гидравлический расчёт трубопроводов При проектировании напорных трубопроводных систем капельного орошения определяющее значение имеют их гидравлические расчеты. Они служат основой для вычисления диаметра труб и подбора насосного оборудования, которые обеспечивают требуемый режим работы этих систем в течение всего срока эксплуатации. Качество выполненных гидравлических расчетов определяет экономичность как самого трубопровода, так и всего комплекса связанных с ним сооружений. В настоящее время при капельном поливе используют полимерные трубы со встроенными капельницами. Данные трубы имеют очень гладкую внутреннюю поверхность и малые гидрав164 лические потери, что позволяет использовать трубы меньшего диаметра, чем стальные. Цель гидравлического расчёта трубопроводов – подобрать диаметры трубопроводов с учётом расхода воды в трубопроводах и допустимой скорости. На орошаемом участке полевые трубопроводы не закольцованы, из каждого полевого трубопровода воду забирает несколько водовыпусков (капельниц). Расход полевого трубопровода равен расходу воды, потребляемой несколькими капельницами, установленными на одной трубопроводной линии, с учетом потерь в сети: Qпб = Qк ⋅ Lпт ⋅ nк / η ос ⋅ 3600 , л/с, (165) где Qк – расход воды капельницей, л/ч; Lпт ‒ длина капельной линии, м; nк – количество капельниц на 1 п.м. линии, шт.; η ос – КПД сети, в долях (0,98). Q пб = 1 л/ч ∙ 300 м ∙ 3 шт./0,98 ∙ 3600 = 0,26 л/с = 0,00026 м3/с. Диаметр полевого трубопровода. Рекомендуемые скорости прохождения воды в полиэтиленовых трубопроводах V = 1,0…3,0 м/с, принимаем V = 1 м/с. Диаметр полевого трубопровода определяем по формуле (145): dпт = 1,13 Qпт , V 0,00026 = 0,0182 м. 1 Вышеуказанный диаметр полевого трубопровода соответствует диаметрам капельных линий, выпускаемых отечественным и зарубежным производством (1,0…1,5 см). По каталогу (приложение 6) подбираем трубопровод с внутренним диаметром 16 мм (номинальный наружный диаметр 20 мм). ГОСТ 185992001, ПЭ80 SDR11. Проверяем скорость по формуле (146): dпт = 1,13 Vпт = 1,27 ⋅ Q/d2 , Vпт = 1,27 ⋅ 0,00026/0,01602 = 1,29 м/с. Полученная скорость находится в допустимых пределах 1…3 м/с. Диаметр распределительного трубопровода. Расход поливной воды от конца по направлению к главному трубопроводу увеличивается по мере увеличения числа подсоединяемых поливных трубопроводов. КПД его ηрт = 165 0,99. Отсюда максимальный расход распределительного трубопровода по формуле (147): Qрт = nпт ⋅ Qпт/ηрт , Qрт = 100 ∙ 0,00026/0,99 = 0,026 м3/с, где nпт – число капельных линий (полевых трубопроводов), работающих на распределительном трубопроводе; Qпт – расход капельной линии (полевого трубопровода), м3/с; ηрт – КПД распределительного трубопровода, в долях (0,99). Скорость V = 1 м/с, тогда dрт = 1,13 0,026 = 0,182 м = 163,6 мм. 1 По каталогу (приложение 6) расчётному внутреннему диаметру dрт = 129 мм подходит трубопровод с наружным диаметром 200 мм и толщиной стенки 18,3 мм, что соответствует внутреннему диаметру 163,6 мм (ГОСТ 18599-2001, ПЭ80 SDR21). Проверяем скорость: Vрт = 1,27 ⋅ 0,026/0,16362 = 1,23 м/с. Расход магистрального трубопровода равен полному расходу насосной станцией: Qмт = Nобщ ⋅ Qпт/ηмт , где Nобщ – число одновременно работающих капельных линий (полевых трубопроводов) на участке, ηрт = 0,99. Qмт = 500 ⋅ 0,00026/0,99 = 0,131 м3/с. Диаметр магистрального трубопровода определяется по формуле Q мт . V Напорные трубопроводы проектируем из полиэтиленовых труб. Скорость V = 1,0…3,0 м/с, принимаем V = 2 м/с. dмт = 1,13 dмт = 1,13 0,131 = 0,409 м → 369,4 мм. 1,0 По каталогу (приложение 6) принимаем трубопровод с номинальным наружным диаметром 400 мм и толщиной стенки 15,3 мм, что соответствует внутреннему диаметру 369,4 мм. Проверяем скорость: V = 1,27 ⋅ 0,131/0,36942 = 1,22 м/с. 166 Полученная скорость находится в допустимых пределах 1,0…3,0 м/с. Результаты гидравлического расчета записываем в таблицу 37. Таблица 37 Характеристика закрытой напорной оросительной сети из полиэтиленовых трубопроводов Наименование трубопровода 0,131 0,026 Длина трубопровода, L, м (с плана) 700 100 Диаметр трубопровода (по ГОСТу), d, м 0,369 0,163 0,00026 100 0,016 Расход, Q, м3/с Магистральный Распределительный Поливной (капельная линия) Скорость воды, V, м 1,22 1,23 1,29 Определяем потери напора в системе капельного орошения: ΣН = Σhт. + Σhм + Σhг , м, где Σhт. – сумма потерь на трение по длине трубопровода, м; Σhм – сумма потерь напора на местные сопротивления, м; Σhг – геодезическая высота подъема, м (определяется по плану как разность отметок самой высокой отметки капельницы на капельной линии и местоположения насосной станции). Сумму потерь на трение по длине трубопровода определяют по зависимости Vр2 ⋅ l р Vп2 ⋅ l п Vм2 ⋅ l м ·( + + ), Σhт. = dп 2g dр dм λ Σhт. = 1 1,29 2 ⋅ 100 1,232 ⋅100 1,22 2 ⋅ 700 ·( + + ) = 18,1 м, 40 ⋅ 2 ⋅ 9,81 0,016 0,369 0,163 где λ − коэффициент сопротивления трению, который определяют по формуле (156): λ = 0,5 / (lg(3,7 D / ξ э ))2 , Σhм = 0,1 Σhт. = 1,81 м; Σhг = 3,5 м; ΣН = 18,1 + 1,81 + 3,5 = 23,41 м. 9.5. Внутрипочвенное (подпочвенное) орошение При внутрипочвенном орошении увлажняется только корнеобитаемый слой почвы за счет подачи воды из различного рода увлажнителей, прокладываемых на глубине 40…60 см от поверхности земли. А.Н. Костяков к этому способу орошения относил и субирригацию – искусственное поднятие уровня грунтовых вод. 167 Системы подпочвенного орошения целесообразно применять в первую очередь в засушливых зонах при остром дефиците поливной воды для полива высокорентабельных сельскохозяйственных культур, вблизи населенных пунктов и животноводческих комплексов при использовании на орошение сточных вод. Внутрипочвенное орошение устраивают на почвах с хорошо выраженными капиллярными свойствами и маловодопроницаемой подложке. На крупнозернистых и засоленных почвах такой способ орошения непригоден. Основные преимущества внутрипочвенного орошения перед всеми способами поверхностного полива и дождевания следующие: – возможность непрерывного снабжения растений водой в соответствии с водопотреблением; – улучшаются водно-физические свойства почвы, так как поверхностный слой почвы не разрушается; – уменьшается засоренность почвы; – повышается коэффициент земельного использования до 0,98…0,99, улучшаются условия механизации; – водопотребление снижается на 15…40%; – урожайность повышается на 20…40%. К недостаткам относятся: – недоувлажнение 10-сантиметрового слоя почвы; – высокие капитальные затраты при строительстве систем с полиэтиленовыми увлажнителями; – опасность засоления почв; – отсутствие регулирования микроклимата. По характеру поступления воды в почву внутрипочвенные системы можно подразделить на напорные, безнапорные и вакуумные. На напорных системах влага в почву поступает при напоре большем, чем глубина увлажнителей (0,6…2,0 м). В безнапорных – от 0,1 до 0,5 м (верхние слои почвы увлажняются благодаря капиллярному давлению воды). В вакуумных или абсорбционных системах вода к растениям поступает благодаря сосущим свойствам почвы. Увлажнение корнеобитаемого слоя может происходить с помощью кротовин, труб-увлажнителей, желобов и т.д. Для устройства трубувлажнителей применяют гончарные, пористые и полиэтиленовые трубы (рис. 72). 168 Рис. 72. Типы увлажнителей при подпочвенном орошении: а – упрощенный, б – дренажный, в – кротовый; г – очагово-дренажный; 1 – дно и стенки траншеи, 2 – почва, 3 – увлажнители, 4 – щель от ножа кротователя, 5 – стыки труб Подпочвенные увлажнители обычно располагают на глубине 40…50 см с расстоянием между ними 1…3 м (в зависимости от возделываемых культур и почв участка). Вода в почву поступает через стыки труб, которые обсыпают пористым материалом. Если используются пористые трубки, то вода из них поступает через перфорацию по всей длине, и стыки труб заделывают наглухо. Зона увлажнения, образуемая вокруг труб-увлажнителей, зависит от гранулометрического состава почв и имеет первоначально вид овала, вытянутого книзу (рис. 73). Рис. 73. Контуры увлажнения почвы из увлажнителей: а – на тяжелых почвах, б – на легких почвах; 1 – поверхность почвы, 2 – внутрипочвенный увлажнитель, 3 – контур увлажнения почвы сразу после полива, 4 – контур увлажнения после перераспределения влаги в почве Почва достаточно равномерно увлажняется по длине увлажнителей при их длине более 100…250 м. 169 В тяжелых по гранулометрическому составу грунтах в качестве увлажнителей используют искусственные кротовины, которые нарезают специальными кротователями или кротовыми плугами. Глубина кротовин составляет 0,35…0,60 м, расстояние между ними ‒ 0,5…1,5 м, а длина принимается 50…200 м. Диаметр кротовин 5…15 см. 9.5.1. Основные элементы систем внутрипочвенного орошения К основным элементам системы внутрипочвенного орошения относятся: водозаборные сооружения, оросительная сеть, линии связи, системы автоматизации, дороги. Источником орошения могут быть реки, озера, каналы, водохранилища, воды местного стока, предварительно очищенные сточные воды, а также подземные воды. Водозаборные сооружения должны быть оборудованы средствами очистки воды. Магистральную и распределительную сеть выполняют из асбестоцементных или полиэтиленовых труб, увлажнительную – из полиэтиленовых труб, закрепленных или обычных кротовин. Рис. 74. Схема подпочвенного орошения: 1 – водоисточник; 2 – насосная станция; 3 – очистные сооружения; 4 – распределительные трубопроводы; 5 – оросительные трубопроводы; 6 – внутрипочвенные увлажнители; 7 – колодцы-переключатели; 8 – водоотводные аэрационные трубопроводы; 9 – колодцы-стояки Проектировать системы внутрипочвенного орошения следует на участках со спокойным рельефом местности. Чаще всего проектирование ведут по продольной схеме, при которой увлажнители располагаются по наибольшему уклону (рис. 74). Оросители устраивают с уклоном, обеспечивающим равномерную раздачу воды оросителям (до 0,005). 170 9.5.2. Расчет режима орошения Расчет режима орошения подразумевает определение поливной нормы и продолжительности полива. Сначала определяют единичную поливную норму ‒ количество воды, необходимое для создания в почвогрунте контура увлажнения расчетных параметров в пределах единицы длины увлажнителя, которая определяется по формуле mi = 0,785σhB(WHB – WO), (166) где 0,785 – коэффициент, отражающий эллипсоидную форму контура увлажнения; σ – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения влаги в расчетном слое до и после полива (σ = 0,8); h – расчётная глубина увлажнения, м; В – средняя ширина полосы увлажнения почвы; WHB – запасы влаги в 1 м3 почвогрунта при наименьшей влагоёмкости, м3/м3; WО – запасы влаги в 1 м3 почвогрунта при предполивной влажности, м3/м3. Далее определяют поливную норму: 0.65hB(WHB − WO )l , м3/га, (167) n где l – длина увлажнителя, м; n – число увлажнителей на одном гектаре, рассчитывае- m= мое в зависимости от длины увлажнителя и средней ширины полосы увлажнения В, в зависимости от типа увлажнителей и гранулометрического состава почв. Продолжительность полива находят исходя из скорости впитывания воды почвой: hW t= , (168) i ∑Vi где hW 1 – слой воды, необходимый для насыщения почвенной колонки расчетной глубиi ны, м; ∑Vi – средняя скорость впитывания воды почвогрунтом (за 1…12 ч), 1 определяемая по кривой впитывания, м/ч. Расчетные расходы увлажнителя увязывают с величиной установившегося впитывания и определяют по формуле (169) Q = q ⋅ l , м3/с, где l – длина увлажнителя, м; q – величина впитывания воды почвой на 1 м увлажнителя, определяемая специальными исследованиями. К внутрипочвенному орошению относят также и машинноинъекционный способ, при котором вода с удобрениями под давлением впрыскивается в корнеобитаемый слой с помощью специальных машин или 171 орудий. В машину вода подается во время движения по гибким трубопроводам. Такой способ целесообразен при орошении садов и виноградников, а также на легких почвах для удобрительного полива сточными водами. 9.6. Мелкодисперсное дождевание (аэрозольное увлажнение) Мелкодисперсное дождевание (МДД) предназначено для оптимального регулирования параметров приземного слоя атмосферы с целью создания наиболее благоприятного для развития растений микро- и фитоклимата. Создание оптимальных параметров микро- и фитоклимата происходит в результате увеличения влажности приземного слоя воздуха и уменьшения температуры листьев растений, что весьма актуально при продолжительных воздушных засухах и суховеях. При неблагоприятных внешних условиях мелкодисперсное дождевание позволяет повысить интенсивность фотосинтеза и даже предотвратить гибель растений. Аэрозольное увлажнение применяют во всех зонах орошаемого земледелия как в качестве меры борьбы с засухами и суховеями, так и в качестве освежительных поливов садов, ягодников, чайных плантаций, овощных и других сельскохозяйственных культур. При мелкодисперсном дождевании вода диспергируется на капли размером не более 0,06 мм, которые хорошо удерживаются на листовой поверхности растений. Такое увлажнение проводят в жаркие сухие дни, когда температура листьев превышает физиологически оптимальную для данной культуры. Норма разового воздействия на растения зависит от влажности и температуры воздуха и составляет 0,8…1 м3/га. Мелкодисперсное увлажнение, применяемое на достаточно большой площади, способствует значительному снижению температуры листового покрова растений (на 6…12°С) и приземного слоя воздуха при одновременном увеличении его влажности. Это способствует выравниванию дневного хода фотосинтеза, уменьшению транспирации, ликвидации дефицита влаги в листьях и обеспечению оттока продуктов ассимиляции из листьев в корень в дневное время, что, в свою очередь, приводит к повышению урожайности сельскохозяйственных культур до 80% по сравнению с обычным дождеванием. Мелкодисперсное увлажнение наиболее эффективно на фоне достаточного предпосевного запаса влаги в почве при частом или непрерывном распылении водного аэрозоля над орошаемой площадью. Этот метод представляет также интерес и как средство борьбы с заморозками. Особенно эффективно противозаморозковое увлажнение для садов, виноградников и цитрусовых. 172 Рис.75. Схемы форсунок различных конструкций: а – пневматический распылитель ОП-1; б – ороситель ПФП-180; в – распылитель с регулируемым дефлектором; г – распылитель соударяющихся струй (АФИ); д – вращающийся дисковый распылитель; е – центробежная форсунка с вихревой камерой При мелкодисперсном увлажнении вода может диспергироваться гидродинамическим, гидромеханическим либо пневмогидродинамическим способом. Для этого используют форсунки различных конструкций, которыми оснащают машины или установки для МДД (рис. 75). Стационарная система для надкронового мелкодисперсного увлажнения садов включает мачту высотой 9…12 м и поворотную штангу с форсунками (рис. 76). Оборудование работает по принципу гидродинамического диспергирования воды. Средняя интенсивность дождя составляет 0,06 мм/ч. Для одновременного проведения надкронового и подкронового мелкодисперсного дождевания на участках с уклоном до 0,5 разработана стационарная автоматическая система МДД (УКРНИИОС). 173 Рис. 76. Схема мелкодисперсной стационарной установки: 1 – основание стойки; 2 – стойка; 3 – растяжка; 4 – штанга; 5 – форсунки Имеется также оборудование МДД к агрегату ДДА-100МА, которое включает в себя центробежный насос, всасывающую и напорную линии трубопроводов, подвесной полиэтиленовый шланг с установленными на нем 175 центробежными форсунками с диаметром сопл 3,5 мм. Контрольные вопросы 1. Дайте определение способу полива. 2. Что подразумевает выражение «техника полива»? 3. Поверхностное орошение, его основные виды и область применения. 4. Достоинства и недостатки полива дождеванием. 5. Какие бывают дождевальные насадки? 6. Как определяется качество дождя? 7. Что такое микродождевание и область применения? 8. Какие способы полива применяют при орошении газонов и декоративных культур? 9. Способы полива плодовых культур. 10. Особенности конструкции и область применения мелкодисперсного дождевания. 11. Синхронное импульсное дождевание, его особенности. 12. Какие способы полива относятся к локальному орошению и в чем его отличие? 13. Основные элементы оросительной сети. 14. Что определяют при гидравлическом расчете оросительной сети? 15. Как правильно подобрать насос к оросительной сети? 174 СЛОВАРЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ТЕРМИНОВ Агролесомелиорация ‒ раздел мелиорации, охватывающий вопросы улучшения природных условий сельскохозяйственных угодий защитными лесными насаждениями. Агроландшафт – ресурсовоспроизводящая и средообразующая природно-сельскохозяйственная геосистема региональной размерности, сформированная в рамках естественного ландшафта в результате его сельскохозяйственного освоения. Агроландшафт по функциональным связям и структурным свойствам наиболее близок к естественным ландшафтам. Главным звеном их функционирования является естественный процесс фотосинтеза, обеспечивающий получение сельскохозяйственной продукции. Агромелиоративные мероприятия ‒ система мелиоративных приемов оптимизации водно-воздушного режима переувлажненных земель при возделывании сельскохозяйственных культур, которые используют в качестве дополнения к работе инженерных осушительных систем на слабоводопроницаемых почвах для усиления действия дренажа путем частичного сброса избыточной воды. А. м. могут быть направлены на: 1) ускорение поверхностного стока (профилирование, гребневание, узкозагонная вспашка…); 2) повышение инфильтрации активного слоя почвы (глубокое рыхление, щелевание, кротование). Аква… (лат. aqua ‒ вода), часть сложных слов, означающая: «относящийся к воде», «связанный с водой» (например, аквакультура). Аэрация (от аэро... ‒ воздух). 1. Искусственное насыщение различных сред воздухом для окисления содержащихся в них органических веществ. Применяется, например, для очистки питьевой и сточных вод. 2. Регулируемый естественный воздухообмен в промышленных зданиях через проемы (окна) в стенах и вентиляционные фонари. Используется преимущественно в так называемых горячих цехах (литейных и др.). Баланс (франц. balance, буквально ‒ весы). 1. Равновесие, уравновешивание. 2. Соотношение взаимно связанных показателей какой-либо деятельности, процесса, обычно имеющее количественное выражение. Баланс водный – water balance. Количественное соотношение между приходом и расходом воды в пределах конкретного объекта. Составными частями Б. В. являются осадки атмосферные, конденсация влаги, испарение, транспирация растительностью, стоки подземный и поверхностный, водопотребление. Нарушение Б. В. может приводить к негативным последствиям. Верховодка – perched water. Скопление воды в зоне аэрации, залегающее на линзах или пропластках непроницаемых пород близко от поверхности. Воды В. быстро расходуются на внутригрунтовое испарение, просачивание и стекание вниз. В случае больших запасов эти воды могут служить 175 источником местного водоснабжения. Воды В. легко подвергаются загрязнению. Вариант В. ‒ временные, сезонные скопления капельно-жидких подземных вод в толще почвогрунтов ненасыщенной зоны над поверхностью отдельных слоев или линз, обладающих слабой проницаемостью. Взвешенные наносы – наносы, переносимые водным потоком во взвешенном состоянии. Влагоемкость почвогрунта – способность почвогрунта вмещать или удерживать при определенных условиях некоторое количество влаги. Влажность почвогрунта – содержание воды в почвогрунте. Примечание. Различают: весовую влажность, которая выражается в процентах от веса абсолютно сухого почвогрунта или в процентах от веса сырого почвогрунта; объемную влажность – количество воды в почвогрунте, выраженное отношением объема воды к объему почвогрунта. Влекомые наносы – наносы, перемещаемые водным потоком в придонном слое и движущиеся путем скольжения, перекатывания или сальтации. Водное сечение – поперечное сечение водного потока. Водный баланс – соотношение прихода и расхода воды с учетом изменения ее запасов за выбранный интервал времени для рассматриваемого объекта. Примечание. Водный баланс может быть рассчитан для водосбора или участка территории, для водного объекта, страны, материка и т.д. Водный режим – изменение во времени уровней, расходов и объемов воды в водных объектах и почвогрунтах. Водопотребление – суммарный расход воды на испарение с поверхности почвы и транспирацию растений. Водораздел – watershed. Линия или плоскость раздела стока поверхностного или подземного по разным направлениям. Вариант В. – граница между смежными водосборами. Различают поверхностный и подземный водоразделы. Водосбор – часть земной поверхности, включая и толщу водоносных пород, воды с которой стекают в отдельную реку или речную систему. Вариант В. – часть земной поверхности и толща почв и горных пород, откуда вода поступает к водному объекту. Выделяют поверхностный и подземный водосборы. Водосборная площадь – территория, сток с которой формирует водный объект. 176 Водоток – watercourse. Естественный или искусственный водный поток различного расхода. Вариант В. – водный объект, характеризующийся движением воды в направлении уклона в углублении земной поверхности. Водоупор – aquifuge. См. Горизонт водоупорный. Воды поверхностные – surface water. Воды на поверхности Земли, к которым относятся воды морские, озёрные, речные, болотные и др. В. п., как правило, связаны с водами подземными и легко поддаются загрязнению. Воды подземные – groundwater. В широком смысле – все воды, находящиеся ниже поверхности Земли, независимо от фазового состояния и взаимосвязи с породой. В. п. образуют единую подземную гидросферу, которая, будучи тесно связана с литосферой, формирует гидролитосферу. Разделяются по степени связи с вмещающими породами на воды химически и физически связанные, капиллярные и свободные, по физическому состоянию – на парообразные, жидкие, твёрдые, по условиям залегания – на верховодку, грунтовые, артезианские и т.д., по генезису – на воды инфильтрационные, конденсационные, метаморфогенные, магматогенные. В. п. подразделяются также по химическому составу, минерализации, температуре, характеру использования и др. свойствам. Образуют значительную долю водных ресурсов Земли, составляющую, по оценке разных авторов, от 4 до 16%. В. п. являются важнейшей составной частью экосистем, тесно связаны с другими их элементами, их экологическое состояние отражается на состоянии поверхностных вод, растительного и животного мира, геологической среды в целом. Отличаясь большой миграционной подвижностью, загрязнённые В. п. являются фактором распространения загрязнения. Глубина залегания подземных вод – depth of groundwater. Расстояние от поверхности Земли до уровня подземных вод. Глубина залегания грунтовых вод определяет мощность зоны аэрации и, в значительной мере, защищённость подземных вод от поверхностного загрязнения. Глубина осушения – depth of drainage. 1. Глубина, до которой понижается уровень зеркала грунтовых вод. 2. Норма осушения – глубина грунтовых вод, при которой создаются благоприятные условия для роста и развития сельскохозяйственных растений. 3. Глубина, до которой понижается уровень зеркала грунтовых или подземных вод или гидростатического напора в процессе осушения горной выработки. Дренажные воды – вода, собираемая дренажными сооружениями и сбрасываемая в водные объекты. Дрены – drains. Подземные водостоки, применяемые для осушения и аэрации избыт. увлажнения почв, для понижения уровня грунтовых вод. 177 Дренаж – drainage. 1. Метод осушения водоносных горизонтов, обеспечивающий снижение уровня подземных вод различными дренами. 2. Осушение с.-х. земель, инженерных сооружений, горных выработок при помощи специальных гидротехнических сооружений. Живое сечение – часть водного сечения, в которой наблюдается течение воды. Заболачивание – marsh forming. Процесс образования болота на переувлажнённых участках земной поверхности вследствие затруднённого стока, подъёма уровня подземных вод, изменения режима испарения. З. называется также зарастание водоёмов болотной растительностью. Задачи мелиорации земель – мелиорация земель осуществляется в целях повышения продуктивности и устойчивости земледелия, обеспечения гарантированного производства сельскохозяйственной продукции на основе сохранения и повышения плодородия земель, а также создания необходимых условий для вовлечения в сельскохозяйственный оборот неиспользуемых и малопродуктивных земель и формирования рациональной структуры земельных угодий. Закон Дарси – Darcy's law. Закон фильтрации жидкости в пористой среде, отражающий линейную зависимость скорости фильтрации от напорного градиента: V = K · i, где V – скорость фильтрации, К – коэффициент фильтрации, i – напорный градиент. Зеркало грунтовых вод – groundwater level, water table. Поверхность вод грунтовых, служащая разделом зоны насыщения и зоны аэрации. Изображается с помощью карты гидроизогипс. З. г. в. подвержено суточным, сезонным и годовым колебаниям. Сопровождается каймой капиллярной. Зона аэрации – unsaturated zone. Верхняя часть земной коры между зеркалом грунтовых вод и поверхностью земли. Вода в З. а. находится в гигроскопическом, плёночном и капиллярном состоянии. Вода гравитационная существует только во время инфильтрации, а также в виде временных скоплений (верховодка). Мощность З. а. определяется геологическими, климатическими, геоморфологическими и др. факторами. От фильтрационных свойств З. а. зависит характер инфильтрационного питания грунтовых вод и степень их защищённости от загрязнения. Зона избыточного увлажнения – wet land. Часть поверхности земного шара, в пределах которой количество выпадающих за год атмосферных осадков в среднем больше количества испарившейся воды. Зона капиллярного поднятия – capillary fringe. Зона, в которой происходит поднятие воды по капиллярам над уровнем вод грунтовых в зону аэрации. 178 Зона недостаточного увлажнения – arid land. Часть поверхности земного шара, в пределах которой количество выпадающих атмосферных осадков в среднем меньше количества испарившейся воды. Зона подтопления – zone of groundwater rise. Территория, в пределах которой наблюдается повышение уровня подземных вод вследствие подпора. Испарение – evaporation. Переход вещества из жидкого или твёрдого состояния в газообразное (пар). Для воды различают И. с поверхности суши и с водной поверхности. Внутригрунтовое или внутрипластовое И. грунтовых и подземных вод может приводить к засолению. Капиллярная зона – капиллярная кайма – увлажненная зона над водоносным пластом, содержание влаги в которой определяется преимущественно действием капиллярных сил Капиллярность – capillarity. Свойство горных пород удерживать капиллярную воду в тонких (капиллярных) порах и трещинах под воздействием сил поверхностного натяжения, возникающих на границе сред вода – порода – газ. Под воздействием этих сил вода способна подниматься на значительную высоту, которая у тонкодисперсных пород достигает нескольких метров. Капилляры – capillary tubes. Пустоты и трещины в горных породах, в которых жидкости и газы передвигаются под действием давления капиллярного. Размер каналов округлой формы от 0,508 до 0,0002 мм, размер трещин от 0,25 до 0,0001 мм. Коэффициент фильтрации эквивалентный (приведённый) – equivalent hydraulic conductivity. Средний коэффициент фильтрации слоистой водоносной толщи при движении воды по напластованию. Мелиоративные системы – комплексы взаимосвязанных гидротехнических и других сооружений и устройств (каналы, коллекторы, трубопроводы, водохранилища, плотины, дамбы, насосные станции, водозаборы, другие сооружения и устройства на мелиорированных землях), обеспечивающих создание оптимальных водного, воздушного, теплового и питательного режимов почв на мелиорированных землях. Мелиорация земель – коренное улучшение земель путем проведения гидротехнических, культуртехнических, химических, противоэрозионных, агролесомелиоративных, агротехнических и других мелиоративных мероприятий. Мелиорированные земли – земли, на которых проведены мелиоративные мероприятия. 179 Местный сток – сток, сформировавшийся в пределах однородного физико-географического района. Модуль подземного стока – groundwater runoff volume per unit of area. Объём стока подземного в единицу времени с единицы площади подземного водосбора. Модуль стока – количество воды, стекающее с единицы площади водосбора в единицу времени. Наименьшая влагоемкость почвогрунта – количество влаги, удерживающееся в почвогрунте после полного свободного стекания гравитационной воды. Полевая влагоемкость. Объемный расход воды (расход воды) – объем воды, протекающий через живое сечение потока в единицу времени. Орошение – irrigation, watering. Подвод воды на сельскохозяйственные поля (участки), с испытывающими недостаток влаги растениями. Источником О. могут быть воды рек, озёр, водохранилищ, а также подземные воды. О. характеризуется наибольшим безвозвратным водопотреблением, которое достигает 70% от общего количества воды. Оросительная норма – объем воды на единицу площади, который необходим возделываемой культуре за весь период вегетации, м3/га. Осушение – soil drainage. Удаление избыточной влаги из почвы, грунта для улучшения их водного и воздушного режимов, повышения плодородия, сокращения заболоченных территорий путём понижения уровня грунтовых вод или ускорения отвода поверхностных вод. Поверхностный сток – сток, происходящий по земной поверхности. Поливная норма – объем воды на единицу площади, который дается возделываемой культуре за один полив, м3/га. Расход потока – water flow discharge. Объём воды, протекающей через сечение водоносного пласта в единицу времени. Обычно измеряется в м3/с или м3/сут. Для грунтовых вод Р. п. при постоянном сечении F определяется выражением Q = Kф × F × J, где градиент напора J = (H1 – H2)/L1–2. Коэффициент пропорциональности Кф называется коэффициентом фильтрации и характеризует сопротивление порового или трещинного пространства горной породы движению воды, зависит от его структуры и свойств фильтрующейся жидкости. Р. п., приходящийся на 1 м ширины потока, называется единичным расходом. 180 Режим грунтовых вод – groundwater regime. Процесс изменения основных показателей (температура, состав и т.д.) грунтовых вод во времени. Основными особенностями Р. г. в. являются суточная, сезонная, годовая и многолетняя цикличность, сильная зависимость от атмосферных и поверхностных факторов (количество осадков, давление, температура воздуха, рельеф и т.д.). На Р. г. в. могут оказывать сильное влияние техногенные и антропогенные факторы. Режим орошения – совокупность числа, сроков и норм поливов сельскохозяйственных культур. Р. о. устанавливается опытным либо расчетным путем в соответствии с требованиями возделываемых культур к водному режиму почв, почвенно-климатическими особенностями и способом полива. Сток – движение воды по поверхности земли, а также в толще почв и горных пород в процессе круговорота ее в природе. При расчётах сток характеризуется величиной стока, которая показывает количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо интервал времени, и обычно выражается в виде объема, модуля или слоя стока. Сток поверхностный – surface runoff. Перемещение воды в процессе её круговорота путём стекания по поверхности земли (см. Кругооборот воды в природе). С. п. делится на склоновый, происходящий по уклонам рельефа, и русловой – по руслам рек и временных водотоков. Измеряется слоем стекающей за год воды (мм/год), модулем поверхностного стока или коэффициентом поверхностного стока. Сток подземный – groundwater runoff. Перемещение подземных вод под действием гидравлического уклона или пьезометрического напора от областей питания к областям разгрузки. Как правило, областями разгрузки подземных вод служат местные и региональные базисы дренажа (реки, озёра, моря). Глобальным базисом разгрузки служит дно океана. С. п. является подземной ветвью кругооборота воды в природе. С. п. измеряется слоем воды за год (мм/год) или модулем стока подземного, а также коэффициентом стока подземного. Транспирация – transpiration. 1. Испарение воды растениями. 2. Один из механизмов перемещения воды из литосферы в атмосферу. Уровень грунтовых вод – groundwater level. Высота расположения свободной поверхности подземных вод в данной точке по отношению к любой плоскости сравнения. Как правило, измеряется в абсолютных отметках, т.е. величиной превышения над уровнем моря. Фитомелиорация – коренное улучшение качества почв посредством выращивания на них определенной растительности. Например, бобовых растений для обогащения почвы азотом. 181 Фильтрация – filtration, seepage. Движение жидкости в насыщенной ею пористой среде, обусловленное наличием градиента напорного (перепада напоров). Различают Ф. стационарную, квазистационарную, нестационарную, плоскопараллельную, радиальную. Ф. стационарная имеет место, когда гидродинамические характеристики потока фильтрационного не меняются во времени. В противном случае Ф. является нестационарной. Ф. квазистационарная устанавливается тогда, когда в процессе снижения или повышения уровня воды форма кривой депрессии (пьезометрической поверхности) не изменяется во времени. Плоскопараллельная Ф. формируется, если все линии токов параллельны друг другу, а ширина потока постоянна в плане. Ф. радиальная развивается в том случае, если линии тока – радиусы или близки к ним, а линии равных напоров в плане – окружности или дуги. 182 Список условных обозначений и сокращений Абс. – абсолютный ВЗ – влажность завядания ВНИИГиМ – Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации ГТС – гидротехнические сооружения ЛК – ловчий канал МДД – мелкодисперсное дождевание МВБ – метод водного баланса МГ – максимальная гигроскопичность МК – магистральный канал МТ – магистральный трубопровод НВ – наименьшая влагоемкость НК – нагорный канал Н-ЛК – нагорно-ловчий канал НПУ – нормально подпертый уровень НС – насосная станция ОП – общая порозность ПВ – полная влагоемкость ППВ – предельно полевая влагоемкость ПТ – полевой трубопровод РТ – распределительный трубопровод Сух. – сухой УВ – уровень воды УГВ – уровень грунтовых вод 1 183 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Бабиков Б.В. Гидротехнические мелиорации. СПб.: Лань, 2005. 2. Штеренлихт Д.В. Гидравлика. М., 2005. 3. Дубенок Н.Н., Григоров М.С. Противоэрозионные гидротехнические сооружения. М.: ТСХА, 1998. 4. Дубенок Н.Н., Шумакова К.Б. Гидротехнические сельскохозяйственные мелиорации / Под ред. акад. РАСХН Н.Н. Дубенка. М.: Проспект, 2016. 336 с. 5. Дубенок Н.Н., Шумакова К.Б. Система двустороннего регулирования водного режима. М.: Изд-во РГАУ-МСХА, 2011. 90 с. 6. Ивицкий А.И. Основы проектирования и расчетов осушительных и осушительно-увлажнительных систем. Минск: Наука и техника, 1988. 312 с. 7. Костяков А.Н. Основы мелиорации. М.: Сельхозиздат, 1969. 8. Мелиорация и водное хозяйство: Справочник. Том «Орошение» / Под ред. Б.Б. Шумакова. М.: Агропромиздат, 1999. 9. Мелиорация и водное хозяйство: Справочник. Том «Осушение» / Под ред. Б.С. Маслова. М.: Ассоциация Экост, 2001. 10. Мелиорация и водное хозяйство: Справочник. Том «Сооружения. Строительство» / Под ред. А.В. Колганова, П.А. Полад-Заде. М.: Ассоциация Экост, 2002. 11. Нормы проектирования сооружений мелиоративных систем – СНиП III-45-76. 12. Организация полива сельскохозяйственных культур дождеванием. М.: МСХА, 2003. 13. Гидротехнические мелиорации: Методические указания / Н.Н. Дубенок, К.Б. Шумакова, Р.В. Калиниченко. М.: Изд-во РГАУ-МСХА, 2011. 109 с. 184 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Марка насоса 1 4К-6 4К-6а 4К-8 4К-8а 4К-12 4К-12а 4К-18 4К-18а 6К-8 6К-8а 6К-8б 6К-12 6К-12а 8К-12 8К-12а 8К-18 8К-18а 4НДв 5НДв 6НДв 8НДв Производительность, л/с 2 18…37,5 18…34,8 19,4…33,4 19,4…30,4 18…33,3 16,7…30,6 16,7…27,6 13,9…25 30,6…52,8 30,6…50 30,6…50 30,6…55,6 26,4…50 61,1…94,5 55,6…80,5 61…100 55,5…89 25…30 35…50 42…50 42…70 42…60 35…50 70…100 60…100 60…100 150…200 150…200 150…200 Полный напор, Н, м 3 98…72,5 82…61,6 59…43 48…36,8 37,3…28 31,6…23,3 25,7…18,9 20,7…14,3 36,5…31 30,5…25 24,4…18 22,7…17,1 17,8…12,6 32…25,4 26…21,8 20,7…15 17,5…12,7 24…22 94…84 104…97 40…31 33…38 30…26 54…46 48…39 42…33 94…86 84…76 74…67 Число оборотов, об./ мин 4 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 2900 1450 1450 1450 1450 1450 1450 1450 1450 1450 1450 2950 2950 1450 1450 1450 1450 1450 1450 1450 1450 1450 Потребная мощность на валу насоса 5 28,0…40,5 28,2…32,0 17,5…21,4 18,6…16,5 9,3…16,4 7,5…9,7 5,6…6,7 3,9…4,7 17,6…23 13,5…16,5 10,2…13,5 9…11,9 6,2…8,2 23,6…30 17,7…21,4 15,6…18,3 12,4…15,2 8,4…10,3 49,3…59 63,5…68,5 24,3…31,6 19,9…23,6 15,4…18,4 50,8…60,5 40,5…52,2 35,3…45,6 178…210 155…192 138…166 электродвигатель 6 40…55 40 28 30 20 14 7…10 4,5…7 28 20 20 14 10 40 28 28 20 14 55…75 75 28…40 20…28 20 55…75 55…75 40…55 195‒240 180‒220 160‒180 Коэффициент полезного действия насоса, % 7 63,2…68,5…66 63,2…68,5…66 65,5…71…66 67…67…65 72…78…74,5 70…76…73,5 76…79,5…77 73…78…75 70…76,5…75 72…76…74 71…74…65 76…82…79 74,5…80…76,6 80…82,5…79 79,9…81 80,5…83,5…77 80,1…83,5…78 70…64 65…70…69 68…70 68…70…68 69…70…70 68…70 73…76…73 70…76…73 71…74…71 78…81 80 79…80 185 Допустимая вакуумметрич. высота всасыв., Н доп . зак . Диаметр рабочего колеса, Д, мм ,м 8 7,1…4,1 7,1…4,6 5,3…3,8 5,3…4,0 6,7…5,3 6,9…4,5 5,4…4,2 5,4…5,2 6,6…5,4 6,6…5,8 6,6…5,9 8,5…7 8,6…7,6 6,5…4,7 6,7…5,5 6,2…5 6,5…5,2 6,5…0 4…2 3,3…2 7…4,6 7…5,8 7,3…6,8 9 272 250 218 200 175 165 148 136 328 300 275 264 240 315 290 268 250 280 265 280 350 325 300 5…4 5,5…4 5,5…4 4…1,4 4…1,4 4…1,4 405 380 360 525 500 470 Внутренний диаметр патрубка, мм входного напорного 10 11 Превышение оси насоса над фундаментом, мм при соединении уппри реругой муфменном той с эл.приводе двиг. 12 13 Диаметр шкива насоса шк., мм 14 270 100 70 285 321 200 200 160 140 285 238 321 150 100 200 285 125 365 321 150 321 100 180 125 224 200 150 260 250 200 335 200 150 200 400 Насосы типа НД и типа Д выпускаются с упругой муфтой для непосредственного соединения с электродвигателем и монтируется с последней на общей фундаментной плите 1 8НДв 6НДс 6Д - 6 6Д - 9 8Д - 9 8Д -13 10Д - 6 10Д - 6а 10Д - 9 10Д - 13 10Д - 19 2 110…165 110…140 110…140 60…92 60…84 34…57 34…55 60…95 60…95 111…167 105…161 102…165 103…160 107…162 Примечания: 3 42…35 36…33 32…28 80…64 69…60 87…68 54…41 78…60 47…37 70…67 58…46 43…34 26…20 15…12 4 960 960 960 2950 2950 2900 2900 2900 2900 1450 1450 1450 1450 1450 5 59…72 49,4…56,6 44…48,5 62…77,4 53…62,5 39…51 22,5…27,5 56,3…68,5 32,5…38,3 102…126,5 79,5…98 51,7…66 30,5…36,5 18,2…22,4 6 76…100 55…75 55 750‒100 75 55…75 40 75 40…55 135 115 75 40…55 28 7 78…81…79 79…80 79 76…80…76 77…79…79 74 81 81,5 85 75…76,7…74 75…76…74 83 86 87 8 6,5…3,8 6,5…5,5 6,5…5,5 5,3…3 5,3…3,9 5 5 3 3 6,4…3,8 6,4…3,8 6 6 6 9 525 500 470 242 230 10 11 12 200 150 365 150 100 200 125 465 432 13 14 445 260 150 1. /к 7-й графе/ ‒ в тех случаях, когда значения характеризуются тремя числами, второе число выражает максимальное значение коэффициента полезного действия насоса, соответствующее примерно средним значениям расхода и напора из приводимых во 2-й и 3-й графах предельных их значений. 2. /к графам 12‒14/ ‒ насосы типа К выпускаются со шкивом для ременного привода или с упругой муфтой для непосредственного соединения с электродвигателем. 3. /к графе 12/ ‒ указанные в этой графе превышения оси насоса над фундаментом соответствуют различным типам электродвигателей, поставляемых с насосами. Так, например, превышения для насосов типа К соответствуют электродвигателям 238 мм – АД – 42/2 и 51/2, 270 мм – АД – 72,2, 81/2, 285 мм – АД – 61/2, 62/2 и 62/4, 321 мм – АД – 71/2, 71/4 и 72/4, 365 мм – АД – 81/4. 4. /к графе 1/ ‒ цифры в начале марки (перед буквой) означают диаметр входного патрубка в дюймах. 186 ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ Предприятиями Министерства электропромышленности выпускаются асинхронные электродвигатели трехфазного применения тока единой серии А и АО: 1) А – защищенный в чугунной оболочке; 2) АО – закрытый в чугунной оболочке. Закрытые и защищенные электродвигатели выпускаются также в алюминиевой оболочке (АОЛ и АЛ). Эти электродвигатели полностью заменяют серии И, ТН, Р (Урал), АД, МА-8, МА-9, МКМ-200 и др. Электродвигатели типов ТТ и МТО 1952 г. с производства сняты. Двигатели типов А, АДО, Р (Урал), МА-8, МА-200, МКМ, ТН рекомендуются к установке в сырых помещениях и вне зданий под крышей; типов АО, МКМ, МА-140 – в особо сырых помещениях и вне зданий на открытом воздухе. Все двигатели имеют короткозамкнутый ротор и рассчитаны на пуск непосредственно от сети при полном напряжении. Цифры после буквенного знака обозначают наружный диаметр статора, длину пакета статора, число полюсов двигателя и другие показатели. В данной таблице приведены характеристики электродвигателей единой серии А и АО, а также двигатели старой серии. ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ Мощность, кВт 1 Число оборотов, мин 2 0,6 1,0 2,0 2,8 3,0 3,5 4,5 6,5 7,0 7,8 10,0 11,5 12,0 13,0 14,0 20,0 20,0 1410 2860 970 1420 2930 960 1440 2940 970 1455 2930 970 1460 1460 2930 1450 2920 1 22,0 24,5 25,5 27,5 2 1460 970 975 1470 187 3 Вес, кг 4 А-31-4 АО-32-2 АДО-41/6 АО-42-4 АДО-32/2 АД-42/6 А-51-4 АДО-51/2 А-61-6 АД-51/4 АО-62-2 МКМБ-17/6 Р-53-4 МА-202-1/4 АО-63-2 А-71-4 А-61-2 17 27 56 45 42 64 70 86 125 78 170 195 123 121 190 205 145 3 МА-203-1/4 МА-812/6 МА-204-1/6 МА-203-2/4 4 176 240 240 198 Тип 28,0 28,0 29,0 32,0 34,0 35,0 36,0 37,0 37,0 40,0 40,0 40,0 45,0 45,0 48,0 48,0 48,0 53,0 54,0 55,0 55,0 55,0 58,0 60,0 60,0 61,0 68,0 70,0 72,0 72,0 75,0 75,0 80,0 85,0 96,0 100,0 100,0 105,0 125,0 А-81-6 А-71-2 МА-144-2/4 МА-204-2/6 МА-812/4 АД-72/2 МКМА-20 МА-911-6 МА-204-1/4 А-82-6 А-81-4 А-72-2 МА-92/6 МА-145-2/4 МА-205-2/6 МА-204-2/4 АД-81-2 МА-206-2/8 МА-206/1 А-91-6 А-82-4 АО-83-2 МА-206-1/6 МА-205-1/4 АД-82/2 МА-146-2/6 МА-146-1/4 МА-92-4 МА-206-2/6 МА-205-2/4 А-92-6 А-82-2 АД-91/2 МА-206-1/4 АД-92/2 А-92-4 АО-94-2 МА-206-2/4 А-92-2 975 2930 1475 975 1460 2940 1450 970 1450 975 1460 2930 975 1475 980 1470 2940 735 960 980 1460 2950 980 1465 2940 980 1480 1470 980 1465 980 2930 2950 1470 2950 1460 2950 1470 2950 188 860 210 370 270 240 230 230 360 240 400 360 235 467 565 425 270 290 550 450 590 400 560 500 390 330 820 720 745 550 425 665 415 480 500 450 665 905 550 685 ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Дождеватель шланговый модели ДШ-1 Дождеватель шланговый ДШ-32А «АГРОС» Дождевальные установки «Hunter» Технические характеристики дождевальных устройств Дождевальные установки Тип 1 – напорный гидрант или бытовой насос; 2 – разъём (тройник и две муфты); 3 – шланг; 4 – катушка дождевателя; 5 – якорь; 6 – автомат отключения воды; 7 – труба; 8 – рассекатели; 9 – дождевальный аппарат; 10 – редуктор; 11 – лыжи; 12 – опора Давление, МПа Расход, л/с Свободный напор на гидранте, м Площадь обслуживания за сезон, га Ширина захвата, м Длина захвата, м Средняя интенсивность дождя, мм/мин Масса дождевателя (без шланга), кг Схема устройства дождевателя модели ДШ-1 189 ДШ-32А ДШ-1 «Hunter» Передвижной шланговый Передвижной шланговый Стационарный 0,4…0,6 0,6…1,0 40…60 – 20…25 110 – 165 Не менее 0,3 До 1,0 Свыше 30 1,0 12 До 35 0,3 Не более 20 0,4…0,6 2,77 40…60 1,3…1,5 25 – 0,09 0,1…0,3 ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Схема расположения гидрантов дождевальной установки «Hunter» ПРИЛОЖЕНИЕ 5 Схема расположения гидрантов дождевальных установок «ДШ-1» и «ДШ-32» 190 ПРИЛОЖЕНИЕ 6 Пропускная способность гончарных, керамических и пластмассовых труб Диаметр внутренний, см Уклоны 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 Гончарные и керамические трубы 5 _ 0,39 0,48 0,55 0,62 0,68 7,5 0,82 1,16 1,42 1,65 1,84 2,01 10 1,77 2,5 3,08 3,54 3,96 4,33 12,5 3,3 4,71 5,72 6,59 7,43 8,05 15 5,24 7,45 9,15 10,47 11,77 12,8 17,5 7,91 11,02 13,68 16,10 17,75 19,7 20 11,2 15,94 19,50 22,60 25,20 27,6 25 20,3 28,90 35,40 41,71 45,60 49,9 Пластмассовые гофрированные трубы 5 0,17 0,23 0,28 0,33 0,36 0,40 6,3 0,29 0,42 0,51 0,59 0,65 0,72 7,5 0,45 0,65 0,80 0,93 1,03 1,13 9,0 0,66 0,94 1,16 1,34 1,49 1,63 12,5 1,47 2,08 2,56 2,96 3,28 3,60 191 ПРИЛОЖЕНИЕ 7 Номинальный наружный диаметр, мм 10 16 20 25 32 40 50 63 75 90 110 125 140 160 180 200 225 250 280 315 355 400 450 500 560 630 710 800 900 1000 1200 Трубы водопроводные напорные из полиэтилена 80 ГОСТ 18599-2001, ТУ 2248-016-40270293-2002 ПЭ80 SDR26 (PN 5,0) толщ. стен- цена 1 п.м. ки, мм с НДС 6,2 6,9 7,7 8,6 9,6 10,7 12,1 13,6 15,3 17,2 19,1 21,4 24,1 27,2 30,6 34,4 38,2 45,9 226,00 287,00 355,00 438,00 553,00 689,00 863,00 1 096,00 1 383,00 1 764,00 2 155,00 2 725,00 3 419,00 4 348,00 5 507,00 7 110,00 8 794,00 12 659,00 ПЭ80 SDR21 (PN 6,3) толщ. стен- цена 1 п.м. ки, мм с НДС 4,3 5,3 6,0 6,7 7,7 8,6 9,6 10,8 11,9 13,4 15,0 16,9 19,1 21,5 23,9 26,7 30,0 33,9 38,1 42,9 47,7 88 120 172 215 250 354 438 491 676 857 956,00 1 352,00 1 702,00 2 178,00 2 661,00 3 363,00 4 199,00 5 358,00 6 793,00 8 793,00 10 840,00 ПЭ80 SDR17,6 (PN 7,5) толщ. стен- цена 1 п.м. ки, мм с НДС 2,0 2,3 2,9 3,6 4,3 5,1 6,3 7,1 8,0 9,1 10,2 11,4 12,8 14,2 15,9 17,9 20,1 22,7 25,5 28,3 31,7 35,7 192 15,00 21,00 32,00 51,00 74,00 104,00 154,00 202,00 255,00 324,00 415,00 515,00 636,00 804,00 1 001,00 1 241,00 1 592,00 1 999,00 2 552,00 3 122,00 3 948,00 4 949,00 ПЭ80 SDR13,6 (PN 10) толщ. стен- цена 1 п.м. ки, мм с НДС 2 2,4 3 3,7 4,7 5,6 6,7 8,1 9,2 10,3 11,8 13,3 14,7 16,6 18,4 20,6 23,2 26,1 29,4 33,1 36,8 11,00 17,00 26,00 40,00 64,00 94,00 132,00 176,00 256,00 321,00 370,00 530,00 649,00 733,00 1 016,00 1 274,00 1 434,00 2 027,00 2 542,00 3 250,00 3 976,00 ПЭ80 SDR11 (PN 12,5) толщ. стен- цена 1 п.м. ки, мм с НДС 2 4,20 2 7,00 2 9,10 2,3 13,00 3 21,00 3,7 32,00 4,6 50,00 5,8 80,00 6,8 111,00 8,2 161,00 10 234,00 11,4 310,00 12,7 386,00 14,6 496,00 16,4 639,00 18,2 789,00 20,5 981,00 22,7 1 229,00 25,4 1 539,00 28,6 1 909,00 ПРИЛОЖЕНИЕ 8 Трубы водопроводные напорные из полиэтилена 100 ГОСТ 18599-2001, ТУ 2248-016-40270293-2002 Номинальный наружный диаметр, мм 63 75 90 110 125 140 160 180 200 225 250 280 315 355 400 450 500 560 630 710 800 900 1000 1200 ПЭ100 SDR26 (PN 6,3) толщ. стен- цена 1 п.м. ки, мм с НДС 4,2 4,8 5,4 6,2 6,9 7,7 8,6 9,6 10,7 12,1 13,6 15,3 17,2 19,1 21,4 24,1 27,2 30,6 34,4 38,2 45,9 96,00 152,00 192,00 204,00 314,00 389,00 396,00 606,00 755,00 781,00 1 200,00 1 513,00 1 931,00 2 359,00 2 982,00 3 742,00 4 757,00 6 026,00 7 780,00 9 622,00 13 853,00 ПЭ100 SDR21 (PN 8,0) толщ. стен- цена 1 п.м. ки, мм с НДС 4,3 5,3 6 6,7 7,7 8,6 9,6 10,8 11,9 13,4 15 16,9 19,1 21,5 23,9 26,7 30 33,9 38,1 42,9 47,7 57,2 97 144 188 235 302 387 480 592 741 938 1 155,00 1 478,00 1 863,00 2 382,00 2 912,00 3 680,00 4 594,00 5 864,00 7 433,00 9 622,00 11 862,00 17 088,00 ПЭ100 SDR17 (PN 10) толщ. стен- цена 1 п.м. ки, мм с НДС 3,8 58,00 4,5 84,00 5,4 119,00 6,6 145,00 7,4 228,00 8,3 287,00 9,5 304,00 10,7 474,00 11,9 583,00 13,4 602,00 14,8 913,00 16,6 1 145,00 18,7 1 171,00 21,1 1 823,50 23,7 2 277,00 26,7 2 916,00 29,7 3 570,00 33,2 4 517,80 37,4 5 660,00 42,1 7 189,00 47,4 9 109,00 53,3 11 779,00 59,3 14 516,00 71,1 20 903,00 193 ПЭ100 SDR13,6 (PN 12,5) толщ. стен- цена 1 п.м. ки, мм с НДС 4,7 71,00 5,6 103,00 6,7 144,00 8,1 212,00 9,2 280,00 10,3 350,00 11,8 448,00 13,3 580,00 14,7 710,00 16,6 887,00 18,4 1 112,00 20,6 1 394,00 23,2 1 733,00 26,1 2 218,00 29,4 2 082,00 33,1 3 556,00 36,8 4 351,00 41,2 5 511,00 46,3 6 897,00 52,2 8 959,00 58,8 11 365,00 66,1 14 350,00 73,5 17 752,00 88,2 25 549,00 ПЭ100 SDR11 (PN 16) толщ. стен- цена 1 п.м. ки, мм с НДС 5,8 87,50 6,8 121,00 8,2 176,00 10 256,00 11,4 339,00 12,7 421,00 14,6 542,00 16,4 699,00 18,2 863,00 20,5 1 074,00 22,7 1 344,00 25,4 1 684,00 28,6 2 090,00 32,2 2 678,00 36,3 3 367,00 40,9 4 304,00 45,4 5 262,00 50,8 6 654,00 57,2 8 544,00 64,5 10 867,00 72,6 14 018,00 81,7 17 420,00 90,8 21 484,00 ПРИЛОЖЕНИЕ 9 Значения коэффициентов шероховатости Коллектор шероховатости, n Коэффициент эквивалентной шерохова- учитывающий характер шероховатости, Дэ, см тости материала труб, аг Трубы 0,013 0,012 0,014 0,013 0,012 0,135 0,06 0,2 0,1 0,08 90 73 100 83 79 Бетонные и железобетонные, гладко затертые цементной штукатуркой 0,012 0,08 50 Бетонные и железобетонные, изготовленные на месте в опалубке 0,015 0,3 120 Из бута и тесаного камня на цементе 0,015 0,017 0,315 0,635 110 150 Бетонные и железобетонные Каналы 194 ПРИЛОЖЕНИЕ 10 Показатели нормативной эквивалентной шероховатости (ξэ) для труб из различных материалов, мм Нормативная эквивалентная шероховатость (ξэ),мм Вид трубопровода Стальные новые оцинкованные Стальные старые, чугунные старые, керамические Чугунные новые Бетонированные каналы Чистые трубы из стекла Резиновый шланг Полиэтилен и ПВХ (диаметр от 50 до 300 мм) Полиэтиленовые трубы диаметром 1200 мм, сваренные встык Полимерные (пластиковые) трубы (строительные нормы РФ): – для водоснабжения и канализации – для газоснабжения 0,1…0,2 0,8…1,0 0,3 0,8…9,0 0,0015…0,01 0,01…0,03 0,0015…0,0105 0,05 0,01 0,007 ПРИЛОЖЕНИЕ 11 Удельные потери давления в стальном (новом и старом) и пластмассовом трубопроводах при равных расходах для различных диаметров труб Труба Сталь новая 133×5 Сталь старая 133×5 ПЭ 100 110×6,6 (SDR 17) ПЭ 80 110×8,1 (SDR 13,6) Сталь новая 245×6 Сталь старая 245×6 ПЭ 100 225×13,4 (SDR 17) ПЭ 80 225×16,6 (SDR 13,6) Сталь новая 630×10 Сталь старая 630×10 ПЭ 100 560×33,2 (SDR 17) ПЭ 80 560×41,2 (SDR 13,6) Сталь новая 820×12 Сталь старая 820×12 ПЭ 100 800×47,4 (SDR 17) ПЭ 80 800×58,8 (SDR 13,6) Расход, м3/с Скорость, м/с 0,017 0,017 0,017 0,017 0,111 0,111 0,111 0,111 0,833 0,833 0,833 0,833 1,111 1,111 1,111 1,111 1,40 1,40 2,26 2,41 2,60 2,60 3,60 3,85 2,85 2,85 4,35 4,65 2,23 2,23 2,85 3,00 Потери напора, м/100 м 3,60 6,84 4,10 4,80 4,30 7,00 4,00 4,80 1,33 1,98 1,96 2,30 0,60 0,87 0,59 0,69 Примечание. Учитывая неизбежное старение стальной трубы в процессе эксплуатации, для труб малых и средних диаметров полиэтиленовую трубу можно выбирать на одну ступень наружного диаметра меньше. И только для труб диаметром 800 мм и выше, вследствие относительно меньшего влияния абсолютной эквивалентной шероховатости на потери напора, диаметры труб нужно выбирать из одного ряда. 195 Учебное издание Дубенок Николай Николаевич Шумакова Ксения Борисовна Калиниченко Роман Владимирович ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ МЕЛИОРАЦИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ И ЛЕСНЫХ ЗЕМЕЛЬ Учебное пособие Корректор Т.Н. Куклева Подписано в печать 28.12.2018 г. Формат 1 60×84 /16 Печ. л. 12,25. Тираж 121 экз. Заказ 96. Издательство РГАУ-МСХА 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 44 Тел. 8(499) 977-40-64
