Введение к работе
Актуальность работы. Мелиорация земель имеет важное значение в решении продовольственной проблемы в Республике Беларусь. Правильная эксплуатация мелиоративных систем позволяет в хозяйствах ежегодно получать стабильно высокие урожаи сельскохозяйственных культур.
К наиболее технически совершенным мелиоративным системам относятся польдеры с механическим водоотводом. В настоящее время польдеры в РБ занимают плошадь 286 тысяч гектаров. Возможность сброса избыточных вод в любой момент времени позволяет осуществлять оперативное управление водным режимом почвы,создавать наиболее благо -приятные условия для роста и развития растений.Использование этой возможности в полном объема является залогом успешного ведения сельскохозяйственного производства на землях,мелиорированных пояь-дерннм способом. Процесс осушения на этих землях осуществляется через снижение уровней воды в проводящей сети каналов путем откачки некоторых объемов насосными станциями.Применение для этого существующего метода нормированной откачки не учитывает характера стока воды и его распределения по каналам, нелинейность динамики уровней, не позволяет ускорить инфильтрацию поверхностных вод с замкнутых понижений в экстремально многоводные периоды, в ряде случаев не обеспечивает требуемый водный режим.
Устранение перечисленных недостатков в существующей технологии откачки воды на основании экспериментальных натурных и теоретических исследований имеет важное значение для создания оптимального водно-воздушного режима на сельскохозяйственных угодьях.
Цель диссертационной работы - исследование влияния различных технологий откачек на динамику уровней в проводящей сети и разработка рекомендаций по эксплуатационному режиму работы насосных станций, обеспечивающего требуемое осушительное воздействие на мелиорируемой территории, включая экстремально многоводные периоды .
Для достижения цели были поставлены следующие задачи исследований:
- изучить динамику уровней и расходов воды в проводящих кана
лах при различных технологических режимах откачек;
- разработать научно обоснованный режим откачки, учитывающий
характер динамики уровней и расходов воды в проводящей сети;
разработать способ расчета инфильтрации поверхностных вод с замкнутых понижений в открытые каналы и дать рекомендации по корректировке режима откачки в экстремально многоводные периоды;
изучить природоохранное значение прудов на водооборогных поаьдарных системах и дать предложения по учету особенностей откачки при их заполнении.
Научная новизна работы заключается в разработке технологии откачки воды с польдерных систем, в основе которой использован требуемый средневзвешенный уровень в проводящей сети по отношению к уровням грунтовых вод. Разработана методика и даны формулы расчета горизонтов откачки по средневзвешенному уровню воды в устье магистрального канала. Раскрыты причины различного влияния огка -чек насосной станции на уровенный режим в проводящей сети и даны рекомендации по количественному определению зоны этого влияния. Раяработана методика и даны уравнения расчета распределения расходов по длине магистрального канала при откачке для построения средневзвешенного профиля.
Получены теоретические формулы расчета инфильтрации поверх -ностных вод с замкнутых понижений в прилегающие открытые каналы, разработаны методика расчета поверхностного стока и рекомендации по корректировке горизонтов откачки для отвода поверхностных вод за требуемые сроки.
Изучено природоохранное значение больших и малых прудов на повьдерных системах. Установлено, что малые пруды не оказывают влияния на концентрацию химических веществ поступающего стока о сельскохозяйственных полей и могут служить только в качестве отстойников взвешенных наносов. В крупных прудах происходит снижение концентрации химических веществ и они обеспечивают уменьшение загрязнения водоприемников. Наибольшая концентрация загряз -няющих водоприемники химических веществ наблюдается в весеннем стоке, поэтому заполнение прудов рекомендуется производить весенним стоком, а прямой сброс воды с сельскохозяйственных угодий -преимущественно в летний период.
Практическая и экономическая значимость результатов исспепо-
Внедрение результатов исследований в практику эксплуатации польдерных систем повысит напевность регулирования водного реки-
ма, снизит потери урожайности сельскохозяйственных культур, вызванный отклонением уровней от оптимальных, обеспечит экономию электричпскоЛ эноргии на откачку избыточных вон.
Результаты исследований использованы в 1995-1997 годах на польдврных системах в совхозе им.Поливко и в колхоза "Октябрь" Ивановского, в колхозе "Россия" и на э/б Полесской опытно-мелиоративной станции Лунинецкого, объекте "Шное" Пинского районов.
В результате исследований подготовлены "Методические рекомендации по применение технологии откачек воды с польдврных сястеи по "средневзвешенным" горизонтам" / Пинск,1997 /.
Основные положения, выносимые на защиту:
результаты исследования влияний на динамику уровней н расходоа в проводящей сети откачек воды насосными станциями польдврных систем;
новая технология откачек воды с польдеров по средневзвешенным горизонтам;
влияние откачек воды с польдеров на оперативную и общую зоны а критерии их оценки;
управление и методика расчета режима откачек, учитывайте нелинейный характер динамики уровней;
методика расчета объема поверхностного стока, скапливвкцегося в замкнутых понижениях после выпадения ливневых осадков;
теоретические зависимости для расчета подпертой фильтрации воды
с замкнутых понижений н методика определения требуемых горизонтов в каналах для отвода поверхностных вод в заданные сроки;
- исследования влияния наливных прудов различных емкостей на синм>-
ние концентрации химических веществ в поданых в них водах и реко
мендации по назначении их параметров и режиму заполненш\отввчао-
щих природоохранным целям;
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и получили положительную оценку на научно-производственной конференции,посвященной 25-дотнему юбилею Полесского отдела поймэного луговодства /г.Пинск,199бг./, Международной конференции г.Сврнн (4-6 ноября 1997 г.). Апробирование технологии регулирования водного режима по "средневзвешенным" горизонтам осуществлено на объекте "Южный" Пинского района и получило положительную оценку Пинского предприятия мелиоративных систем.-
Публикация. Основные положения диссертации и практические рекомендации опубликованы в О работах.
ОоЧэм . и структура работы. Диссертационная работа состоит из ввадения, семи гпав, выводов и преддоавний производству,списка йадзрагуры ( 81 наименование) и приловений. Основное содержа -кие работы вэлоаено на л*2. стр. машинописного текста, иплю -отрированного 33 рисуііками и 1 таблицами. Полный объем работы MS страниц.
В главе I "Состояние изученности вопроса" выполнен обзор работ, посвященных изучению причин снижения потенциальных возможностей мелиоративных систем, а также технологий регулирования водного режима, компенсирующих ухудшение осушительного действия сети на польдерах с машинным водоотводом.
Основными причинами ухудшения осушительного действия систем яввяится повышение отметок дна проводящей сети за счет заиления а понижение поверхности почвы на торфяниках из-за уплотнения и минерализации их.
По исследованиям Зубца В.М., Печкурова А.Ф., Юлкаускаса Ю.А., Филатова В.А. и др. установлено, что в первые I...2 года после отроительства заиление каналов доходит до 30...35 см, в последующем процесс повышения дна затухает и в среднем составляет 2...5 см в год. Одновременно с отим происходит так называемая сработ-ка торфяных почв, занимающих около 50% территории польдеров в Белорусском Полесье. Процесс срабогки зависят ог различных факторов и протекает на площади мелиорированной территории неравно -мерно, создавая на поверхности почвы локбюш и замкнутые пониже -і!-я. По данным "'коропанова С.Г., мурашко А.И., Маслова Б.С, Ми -наева И.В., Барсукова А.И., Брезгунова B.C., Окулика Н.В. н др., сниаение отметок поверхности почвы в среднем составляет I...2 см, а убыль органического вещества 4,5...5,0 т/га в год.
Польдерные системы с механическим водоотводом, в отличие or самотечных, обладают способностью усиления иди замедления осушительного действия сети путем воздействия на положения уровней воды в магистральном и проводящих каналах. В связи с непрерывно изменяющимися метеорологическими условиями и различными требованиями секьскохозяйсгвенных культур в разные сроки развития при эк -спиуатации польдерных систем режим управления уровнями в каналах требует также непрерывной корректировки.
Анализ работ по режиму откачки вода, методов его расчета и
установления показал:
1. Существующие технологии откачка на польдерах предусматри
вают поддержание уровней в аванкамере насосной станции мазвду
верхним и нижним эксплуатационными горизонтами. При этом верх -
ний эксплуатационный горизонт рекомендуется принимать располояен-
ным на отметке требуемого уровня в проводящем канале в створе ха
рактерного участка,что является частым случаем и относится к за
сушливым и маловодным периодам. Обоснование назначения верхнего
эксплуатационного горизонта для влажных периодов отсутствует.
Нижний эксплуатационный горизонт устанавливается произвольно с ограничением по частоте включения насосных агрегатов я устойчивости откосов магистральных каналов. Однако воздействие на уровни в проводящих каналах при назначении разных положений нижних эксплуатационных горизонтов будет не одинаково.Недостаточная обоснованность технологии откачки и использование существующих рекомендаций по назначению верхнего и нижнего эксплуатационных горн -зонтов давг неоднозначный результат и не всегда обеспечивают оптимальный режим почвы.
-
Понижение поверхности торфяных почв в результате их минерализации и уплотнения, подъем дна проводящих каналов за счет отложения наносов и отмирания растительности, образование микро -рельефа и замкнутых понижений ухудшавг условия осушения.Учег этих факторов в режиме эксплуатации польдеров недостаточно разработан.
-
Существующие рекомендации о рациональной зоне влияния и площади осушения насосными станциями польдеров требуют уточнения,
об этш свидетельствует удовлетворительная эксплуатация ряда поль -дерных систем значительно больших размеров,чем регламентируемое рекомендация. Слабо изучено влияние откачек и отдельных факторов на уровенный режим в каналах, нет методики учета влияния основ -них факторов при установлении режима откачек, в том числе особенностей водооборогпых систом по снижению загрязнения водоприемников.
4. Отсутствуют исследования и рекомендации по реяиму сброса
избыточных вод с польдеров в экстремально многоводные периоды.
Это вызвало необходимость более углубленного исследования и обоснования рояима откачек п сброса в водоприеники избыточных вод с польдерних систем, разработки методических рекомендаций для использования их в практике эксплуатации мелиоративных сие-
ген.
В гааве 2 "Экспериментальные исследования динамики уровней и расходов воды в проводящих каналах полъдерних систем" дается характеристика опытных объектов, приводится методика экспериментальных исследований, излагаются основные результаты полевых экспериментов по изучению динамики уровней в разно уда ленных от насоснов станции створах магистрального канала,формирования профилей свободной поверхности по длине при раз личных расходах в продолжигельностях откачки, динамики уровней в коллекторах, соединенных с магистральным каналом, динамики расходов воды в период откачки и после остановки насосов.
Основные полевые экспериментальные исследования выполнены на польдере "Внвнево-Подыще" Ивановского района,на котором из общей площади 1833 га, выделен опытный участок площадью 750 га, включающий магистральный канал и 9 впадающих в него открытых коллекторов. Магистральный канав имеет уклон дна 0,0005, среднюю глубину 2,6 м; ширину по дну 3 м на длине 1600 м и 1,25 м - на участке 1500 м, заложение откосов 2,0...2,5. Длина коллекторов от 1,0 до 2,4 км с шириной по дну 0,6 и 1,25 м, заложением откосов 2,0, уклоном дна 0,0002...0,0005. Осушение участка выполнено закрытым гончарным дренажем с междренными расстояниями 20...30 м.
Для отвода избыточных вод в устье магистрального канала расположена насосная станция с тремя погружными насосами типа ОШ 2500-4,2<с производительностью кавдого 0,69 м3/с Сброс воды насоснрй станцией осуществляется в пруд с площадью зеркала при НПУ 5,26 га и объемом 121,65 тыс. м3. Из пруда вода по -ступает через водосброс в озеро Песчаное.
Опытный участок оборудован створами наблюдательных колодцев и водпосгами. Водпосгы установлены на магистральном канапе в местах впадения в него коллекторов и у насосной станции. На трех коллекторах дополнительно водпосты оборудованы в средней части и у истоков.
Состав полевых наблюдений включает определение положения уровней воды у насосной станции и в различных створах по длине магистрального канала, уровней в открытых коллекторах, уровней грунтовых вод, расхода и времени откачки насосной станции, расходов воды по длине каналов, осадков, влажности почвы.
Положение уровней в каналах определялось по овайннм и реечным водпостам, а в бтдельных опытах по самописцу "Валдай".
Расход огкачки насосной станции определялся с помощью вертушки ГР-2ІМ, средние скорости на вертикалях определялись трехгочеи-ным методом.
Расход воды по длине магистрального канала определялся вз уравнения баланса объема:
Qi&i ~Qi+iAt t д, ( I )
где Qi. - средний расход в створе I за время ді ;
Лi+i - средний расход в створе і+і за время At j
д W - изменение объема воды в открытой оеги между створа-
ми L и і + I .
На польдерах известным является расход в устье магистрального канала, равный расходу огкачки. Расход в соседнем выше расположенном створе определялся по уравнению ( I ). Переходя га -ким образом от створа к створу, определялись расходы в магвст -ральном канале на всем его протяжении. Полученные расходы относились к моменту времени -t2 , определяемому по форнуле:
U-U + чг » <2>
где -t4 - начальное время; At - шаг по времени.
Для определения изменения объема между-соседними створами использовались опытные данные по динамике уровней в магистральном канале и открытых коллекторах.
Экспериментальное изучение динамики уровней в проводящей сети выполнено в створах магистрального канала (на водпостах).удаленных на различное расстояние от устья при откачке одним,двумя и тремя насосами (рис.1). Исследования показали,что,во-первых,с увеличением расхода откачки растет интенсивность снижения уровней в магистральном канале до определенного расстояния от уотья, На более удаленных участках изменение уровней приобретает противоположный характер. В опытах на расстоянии до I960 м от устья магистрального канала интенсивность снижения уровней воз -расгала с увеличением расхода огкачки, а на расстоянии 2770 -3100 м - снижалась. Во-вторых, . при постоянном расходе от -
качки с удалением ог устья магистрального канапа интенсивность снижения уровней уменьшается вплоть до нуля. В-третьих, харак -тер снижения уровней по времени был близок к динейному в ство -pax на любом удалении ог устья магистрального канала независимо от расхода откачки (рис, I).
Характер движения воды в магистральном канале в общем случае относится к неустановившемуся с переменной массой. В зависимости ог распределения расходов по длине канала, его параметров и характеристик формируется профиль свободной поверхности. При расходе притока к устью канала, равном расходу откачки, профиль свободной поверхности определяется зависимостями для установившегося плавно изменяющегося движения. В периоды, когда расход притока меньше расхода откачки,происходит уменьшением объема воды в канале, каждому моменту времени соответствует мгновенный профиль свободной поверхности. Экспериментальные исследования позволили построить мгновенные профили уровней воды в магист -раньном канале объекта "Вивнево-Подыще" при разных расходах откачки (0,69-2,07 м3/с) и модулях стока 0,03 л/с«га и 0,21 п/ста. Анализ этих профилей показал, что от первоначального положения про t = 0 по мере откачки свободная поверхность постепенно занимает новые положения, при которых призма сработки в достаточно длинных каналах все время имеет клинообразную форму (рве. 2). В коротких каналах призма сработки занимает форму, близкую к трапецеидальной.
Существенная разница в профилях свободной поверхности наблюдается при откачке одного и того же объема воды разными расходами. Так, при расходе откачки 0,69 м3/с в течение 8 часов в устье канала горизонт понизился на 22 см, на расстоянии 3100 м
на 8 см, При расходе откачки 1,38 м3/с эти снижения в устье и на удалении 3100 м быии 24 и 2 см, при расходе откачки'2,07 мэ/с
28 и 0 см соответственно. Из этих результатов следует,что при откачке одного и того же объема воды насосами разной производите льносги зона оперативного влияния (за период откачки) по длине магистрального канапа тем больше, чем меньшим расходом производится откачка.
При цикличной откачке в магистральном канапе наблюдаются последовательно подъемы и снижения уровней (рис. 3). Подъем уровней в период шугэы носит криволинейный характер, особенно выраженный в устье магистрального канала. Эту нелинейность динамики
І* Ч " " м і,Ч 1J H I» 1» JO t,4 Ц и и |g M t,4
ise.pi
_.L_1_J J'
1Ї 14 16 15 10 1,4
_4^K
а її i* i» lo t(4 ii 14 it is »o fc,q
Н,м
H,M
ії9.а
. 1
« 1 16 18 20 t,if
1J 44 44 IS 10 t,4
H,M
)59.5 -
159.1
119.1
6П17
« 14 16 їв го ь,ч
Рис.1. Динамика уровней при откачка волн васосами разной производительности и модуле стока ^ = 0,21 л/о га. й - одним насосои, Q = 0,69 м3/о о - двумя насосами, Q = 0,38 vP/o х - тремя насосами, Q= 2,07 mVo
І50С
П-9
И.СТ.4
klOn
П-І
n-s
tl-5
S50 ) »70" П-7
S70 j aao )
П-11 П-І5
5S0
П-15 П-П П-П-І
4000 l, , m
П-17-2
о I
Рис. 2.. Профили уровней ь магистральном каналє при откачкє Q«0.69mVc
И МОДУЛе СТОКА О,» 0.05 Л/с.ГА- * - ЬРвМЯ ОТ КАЧАЛА ОТКАЧКИ .
- II -
уровней необходимо учитывать при назначений расчетных горизонтов откачки насосных станций при эксплуатации попьдерннх оистем.
В открытых коллекторах при цикличной откачке ход уровней аналогичен колебаниям горизонтов в магистральном канале.По длине коллекторов при подъеме уровней свободная поверхность воды практически становится горизонтальной- В период откачки свободная поверхность приобретает уклон, увеличивающийся по времени.
Движение воды в магистральном канале практически всегда является неустановившимся. Преобладающее распространение имеют периоды резкого изменения расхода в магистральном канале сраэу посла включения или остановки насосов, сменяющиеся медленным его приращением (рас. 4).
Основные изменения расхода при откачке происходят в течение времени не превышающем одного часа после включения насосов, при дальнейшей откачке изменения расхода в среднем составляют ІО... 14*.
В главе 3 "Математическое моделирование в выполнение численных экспериментов с использованием ЭВМ" приводятся CB9 -дения о составленной математической модели, ее вер-ификация в результатах численного моделирования.
Математическая модель дя:*шики потоков воды в проводящих каналах основана на численном решении системы уравнений Сен-Венана а неразрывности. Для упрощения этой системы экспериментальными исследованиями на объекте "Вивнэво-Подыщв" установлен общий гидравлический уклон в различные моменты времени после пачала откачки, вычислен уклон трения и найден дополнительный уклоп от инерционных составляющих. Результаты этих экспериментов показали, что дополнительный улон от инерционных составляющих досги -гал 1А% от уклона трения чераз 0,5 часа после начала откачки и в дальнейшем уменьшался со временем (исключая время прохождения "лба" волны). Через І...2 часа от начала откачки уклон инерционных составлявших был не более 4,4...6,2^ от уклона тронпя, среднее значение отклонения находилось в пределах 1,96...2,83$. В связи с этим для описания динамики потока воды в проводящих каналах (за исключением начального периода) можно пренебречь в уравнении Сен-Бенана инерционными составляющими. Используя эти результаты, АН СССР с нашим участием в I990...I99I годах разработана програмки "Гидролог" для расчета динамики вода в каналах
J6 t,4
20 22 2h
Рио.З.
Динамика подъема и снижения уровней в магистральной канале за один цикл откачки. I - 3 - на расстоянии соответственно 3100, 2200 и 870 м от устья; 4 - в устье канала.
о.»
0.6 ОЛ
о.г
И 12 « 14 15 1« 1V 16 19 20 И і,Ч
Рис. 4. Изменение расходов по времени на различном удалении от насосной станции на польдере "Вивнево-Подшце".
1-в. устье магистрального канала при откачке; 2 - 5 - соответственно на расстоянии 470 и от насосной станции /ВИЗ/, 1220 м /ВЦ7/, 2240 м /ВПІЗ/ И 3100 м /ВПІ7/.
- ІЗ -
мелиоративных систем на персональном компьютере. Мелиоративная сеть в данной программе схематизирована в виде графа, корен* дерева которого соответствует устью магистрального канапа.В граничных вершинах задаются граничные условия в виде зависимости изменения глубин или расхода, начальные условия представляются в внае распределения расхода и уровня в системе в начальный момент.
Проверка диалоговой системы "Гидролог" выполнена по материалам полевых экспериментальных исследований на объекте "Вивнево - Подыше". Математическое моделирование осуществлено при коэффициентах шероховатости каналов 0,035, 0,050 и 0,065. Резуньта-гы численных экспериментов показали, что наилучшее совпадение расчетных и измеренных уровней воды достигнуто при коэффициенте шероховатости 0,05, зависимость раосчиганных уровней от времени в различных створах при откачке близка к линейной и соответствует натурным экспериментам, наибольшее отклонение медду собой опытных п рассчитанных данных составляет не более - 0,02 н.чго позволяет считать модель соответствующей изучаемому явлению.
Аналоговая система "Гидролог" использована для изучения ди
намики расходов и уровней воды в каналах при откачке с участков
различной площади. Для этих целей чиоленные эксперименты выпол
нены применительно к мелиоративной системе им.Поливко Ивановско
го района Бреотской области. Моделирование выполнено для части
системы площадью 610 га (рис. 5). Насосная станция распояогена
в створе 0, в створах I и 6 установлены грубы-регулягорн, поз -
воляющие откачивать воду только с участка А , только с участ
ка В , или одновременно с обоих участков. Площадь учаотка А
173 га, участка В - 437 га. Параметры магистрального канала:
ширина по дну 1,5 м, коэффициент заложения 2,5, уклон дна
0;00015, коэффициент шероховатости 0,03. Параметры открытых .
коллекторов; ширина по дну 0,6 м, коэффициент заложения огко -
сов 2,0, уклон дна 0,00015. і
Граничные условия: расход в устье магистрального канала равен
0,64 мЗ/с, в истоках коллекторов - пулю. Начальные условия:
глубина в устье магистрального канала 2,5 м, свободная поверх
ность горизонтальна. s-
Численные эксперименты показали, что динамика уровней во всех вариантах площади системы в различных створах при откачке
быпа близка к линейной, аналогично натурным исследова -
нияк на объекта "Вивнево-Подыще" (рис. 6а). Абсолютное снижение уровней зависело от ялощдцн осушеная и чем меньше эта площадь, тем большее снижение горизонтов было в створах каналов.
Динамика расходов характеризуется резким его ростом в начальный период откачки, доспавшем в некоторый момент максимума и медленным снижением в исследующем (рис. 66). Мак се -мааьногозначвния расход достигал за относительно корогкое время (О,2...0,7 часа).
В главе 4 "Обоснование режима откачки воды с польаерных систем" приводятся экспериментальные и теоретические материалы, касающиеся оценки зоны влияния насосной станции,распределения расходов по длине магистрального канала я обоснования режима откачки.
В научных источниках и даже в нормативных документах имеются разноречивые введения о зоне влияния насосной станции: 0,7... 1,5 км при повышенной шероховатости (Панаднади Е.А.), 3,0 ... 3,5 км при уклоне дна менее 0,0002 (Юдкаускас Ю.А.), Кадревич Т.A.), 4,0...5,0 км (Рекомендации по польдерному осушению в Белорусском Полесье. Минск, 1979). В практике имеется немало польдеров в Беларуси, России, Германии и др., где длина магистральных каналов превышает выше-указанную зону влияния, в то же время здесь обеспечивается удовлетворительное осушение ме -аиорированной территории. Это свидетельствует о недостаточной изученности данного вопроса. Выполненные экспериментальные исследования позволили выделить два вида влияния: оперативное в общее. Под оперативной зоной влияния понимается расстояние по магистральному каналу, в пределах которого происходит колебание уровней при повторении одних и тех не циклов откачки. При этом средневзвешенный профиль по длине магистрального канала сохраняет свое положение неизменным, например, горизонт I (рис. 7). Под общей зоной влияния понимается участок магистрального канала, на котором происходит изменение положения уровней воды лри измвнении средневзвешенного горизонта. Степень
этого влияния определяется изменением отметок средневзве -шенного горизонта, например, с положения І в положение 2 (рас. 7).
Придавая средневзвешенному горизонту, в пределах возможного, различные положения, можно получать различное по протяженности
Участок В ? d
Рис. 5. Расчєтна* СХЕМА УЧАСТКА МеЛИОРАТИбНОЙ
системы им. Поливко .
-оТоі
.uu :
1 і in їх L J '1
I ГИ
Рис. 6. Динамика уроє.нєй (а) и расходов (б)
при отклчке со асвіі системы . , — 6 стьоре і ; 2-е. чгаоре Ч ; 3— ь створе 5.
Н,м ЙО.О' 155.» »9.6
-*i > , :—" ,—I ц 1 , 1 ,—I т
500 1000 1500 000 I50O »00 U,H
Н.СТ
П-t П-3 П-5 П-7 П-9 П-Ц ПМІ Л-15 П-П
Рис. 7. Динамика горюонто» волы ло длине магистрального
канллл
т>и срелнемвеиенном горизонте і У нлсоснои
станции, Н = 159.)6 м (М.09) ' *
ілри срелнеьъьсыенном Г0РИ50НТЄ 2 V нлсоснои
станции Н = Ш.65 м N
влияние на уровни в магистральном канале.
Выполненный анализ экспериментальных материалов показан,что осушительное действие сети зависит от положения средневэвешвн -ного профиля уровней в магистральном канале*, зона влияния определяется изменением положения средневзвешенного профиля уровней воды в магистральном канале а не может быть константой, режим откачки следует назначать исходя из требуемого положения средневзвешенного профиля.
Для определения горизонтов в аванкамере начала и конца от -качви, обеспечивающих требуемое положение средневзвешенного профиля, разработаны формулы:
Нн -Нса + (l-«t')cl, ( 3 )
Нк Нн ~d, ( 4 )
Нсв-Нпп-(Ко +h >аь), (5)
где Нн - отметка начального уровня откачки в аванкамере;
Нк - отметка конечного уровня откачки в аванкамере;
Не» - отметка средневзвешенного уровня в аванкамере;
Л - коэффициент нелинейности, учитывающий характер изменения уровня в течение цикла откачки;
d - разность между начальным и конечним уровнями откачки;
Нпп - расчетная отметка поверхности почвы на характерном участке поля регулирования;
ho - требуемое положение уровня грунтовых вод от расчетной поверхности почвы;
К - расчетное превышение уровня грунтовых вод между осушителями над уровнем воды в проводящем канале;
if - средний уклон средневзвешенного профиля воды в проводящих каналах от створа характерного участка до аванкамеры;
L - расстояние по каналам проводящей сети ог насосной станция до характерного участка.
Коэффициент нелинейности зависит от соотношения времени откачки и паузы, эта зависимость ог указанных параметров,полученная экспериментальным путем, приведена на рве. 8.
Отметка средневзвешенного уровня в устье магистрального канала дія объектов, находящихся в эксплуатации, может быть определена пробной откачкой, или расчетом по уравнению ( 5 ). Для определения уклона, входящего в уравнение ( 5 ), получена теоре-
йот. <Зіо«-т.
G О.СТ. \ (
6 ОГн.ст.
SO-aV«T. / '
(6)
где Qm.ct. - расход откачки насосной станцией в устье канала;
Qct. - расход стока, поступающий в исток магистрального канала;
Оо.ст. - расход стока со всей водосборной ппоиадв магистрального канала;
Ксл - средняя расходная характеристика магистрального канала.
В главе 5 . "Формирование и ускорение отвода поверхностного стока с замкнутых понижений интенсификацией режима откачки на польдерннх системах в условиях экстремальных ливневых осадков" выполнены: анализ количества и продолжительности выпадения осадков в Белорусском Полесьог показавший, что ежегодно в летний период могут выпадать ливневые дожди, обра -зутаие поверхностный сток, скапливающийся в мозаично расположенных замкнутых понижениях, образующихся на мелиорированных торфяниках в связи с неравномерностью срабогки торфа; обзор существующих моделей формирования и расчета дождевого стока, позволил установить, что для понижений на мелиоративных системах наиболее приемлема зависимость Мопьчака Я.А., которая может быть использована для расчета слоя дождевого стока с учетом ре-
-Q
л!
to
0.9
0.8
0.7
0.4
0.5
\ \
V.
w.
p»"~ —:
-.
-<3 „ О
0.4-1 , , , , , . -> 1 , і r-»—і
0 0.1 02 0.S U4 0.5 Об 0.7 ОЯ О.в f.O U «їй
Рис.. fi. Зависимость коэффициент* от
соотношения времени откачки {torx) И ПАУЗЫ (in) на восстАновление
ю го эо мо во «о 7о х,см
Рис. Э. Линии токов (пунктирные линии) о — при 0в = 0.13йл/с , К»4.5м/СУТ к — пі>и 6<,=»0.02М л/с, к»6.0м/суТ
гионапьных усікший и дополнений, сделанных автором; разработана методика расчета дождевого стока для замкнутых понижений на осушенных землях; рассмотрен вопрос о корректировке режима откачки о учетом требований сельскохозяйственных культур по отводу поверхностных вод с замкнутых понижений; разработана математическая модель инфильтрации и расчета отвода поверхностного стока с замкнутых понижений.
Для расчета слоя дождевого стока в условиях Белорусского Полесья предложена формула:
где КР% - слой дождевого стока 1#яой обеспеченности, мм;
Hiv„ - максимальное суточное количество осадков $-дой обеспеченности; С - районный коэффициент, равный 1,20; Ч* - максимальный коэффициент стока; Р - площадь водосбора, км ; tt -зональный показатель степени, для условий Беларуси равен 0,07;
3 - средневзвешенный уклон склонов, %,\ Ар- коэффициент перехода от максимальных суточных осадков ежегодной вероятности превышения 1% к расчетной.
Для периода выпадения экстремальных ливневых осадков отметку требуемого средневзвешенного горизонта,исходя из условия своевременного отвода поверхностных вод с понижений,рекомендуется устанавливать ниже, чем для нормальных условий>и опредепягь ть по зависимости:
. Ho=Knn- (h« *HOL)- дНп , (8)
где a ft,,- требуемое дополнительное понижение средневзвешенного уровня воды в аванкамере.
Для расчета дополнительного понижения средневзвешенного уровня выполнены теоретические решения фильтрации води с замкнутых понижений к осушителям. Рассмотрены случаи, когда замкнутое понижение можно схематизировать в плане в виде круга и в виде узкой полосы, протянутой вдоль осушителей. Под затоплен -ними частями области фильтрации движение воды принято сверху вниз, за ее пределами - радкальным для схематизации по кругу и плоскопараплельным - для схематизации в виде полосы.
Ita основании этого решения дополнительное снижение средне взвешенного горизонта можно определить по зависимостям:
ДП-п в "Ь. о - Нок
( 9 )
fi0 а Ипп - 1г0- "К, ( 10 )
гпе 1гвк - трзбуемая отметка уровня воды в проводящем канале в створе характерного участка.
При радиальной фиш-грации воды с замкнутых понижений тре -буемая отметка уровня води в проводящем канале определяется уравнением:
где Но - расстояние от уровня воды в замкнутом понижении до вопоупора; Re - раииус области фильтрации до проводящих каналов; 2о - радиус поверхности затопления; V - объем поверхностных вод в замкнутом понижении; К - коэффициент фильтрации; t - требуемое время отвода поверхностных вод; в коэффициент на допотигельные потери напора под затопленной частью понижения.
Для случая расположения замкнутого понижения между осушителями в виде узкой полосы требуемое положение уровня вода в проводящем канале определяется уравнением:
Vtfti-
2tKQ*/ ~ **к \Т ~Т)> ( 12 )
где еа и & соответственно ширина и длина полосы за -топления замкнутого понижения; t» - рассгояниа маяду осушителями.
Для оценки правомерности принятия схем фильтрации из замкнутых понижений, принятых при разработке теоретической модели инфильтрации, проведены лабораторные экспериментальные иссле -доваиия. На модели замкнутого понижения, выполненной в слое песка в гидравлическом лотке, изучены направления линий токов при инфильтрации. Положения линий токов наблюдались по под -
крашенным струйкам через стеклянную стенку лотка. Красящее вещество располагалось в центре понижения (точка 1), в промежу -точном (г. 2) и крайнем (т. 3) положениях (рис. 9). На эгомже риоунке показаны экспериментальные и рассчитанные по формуле ( 12 ) линии токов. Положение пиний токов на физической модели подтверждает справедливость схематизации области фильтрации с разделением ее на две зоны, при которой под загоппвнной частью преобладает вертикальное движение воды с отделением расхода по пути, а за пределами затопленного понижения - горизонтальное направление.
Сопоставление положения экспериментальных линий токов с рассчитанными показывает, что вблизи границы затопления расхождения между ними достигают 2055, однако уже на расстоянии 0,2а от границы затопления (а - ширина затопления ) эти расхождения не превышают - 5% от мощности области'фильтрации.Это пол -тверждает возможность использования полученных зависимостей для определения требуемых положений уровней воды в каналах.
В главе 6 "Природоохранное значение прудов при откачке избыточных вод о польдерных систем" вылолвев сопоставительный анализ концентрации различных химических веществ в водах рек Белорусского Полесья и стоке с сельскохозяйственных полей,установ явно влияние прудов на изменение концентрации химических веществ в стоке, сделаны рекомендации по срокам затопления прудов, при которых в меньшей мере загрязняются водоприемники.
Выявлено, что концентрации основных химических веществ за 23 проанализированных года в реках Полесья не превышали пре -дельно допустимые (ІЩК). Однако для Fe и СС" наблюдается тенденция к росту. В сбросных водах мелиоративных сие -тем концентрация веществ также не превышала ПДК для рыбохозяй -ственных целей, хотя имела более высокие значения, чем в речных водах. Исследования показали, что прямой сброс воды с сельско -хозяйственных попей в водоприемники является одним из иогочни -ков повышения в них концентрации преобладающего числа химических веществ и снижения содержания растворенного кислорода.
Для предотвращения загрязнения водоприемников в Белорусском Полесье' нашли применение пруды сезонного регулирования емкостью от I до 100 млн. м^ и небольшие 100-200 тыс. м3. Экспериментальными исследованиями установлено, что небольшие пруды не обеспе-
чиваюг снижения концентрации химических веществ и могут слу -жать только отстойниками для взвешенных веществ. Пруды сезонного регулирования, применяемые на водооборотных сисгомах, снижают КОНЦеНТраЦИЮ ХИМИЧеСКИХ ВЄЩЄСГВ В СбрОСНЫХ ВОДаХ,К0ЛИЧ9СГ-
венные значения которых занимают промежуточное положение между речными и сточными водами.
Концентрация химических веществ по сезонам года в поступающей воде с мелиоративных систем не одинаковаїїослодования пока -зали, что наибольшая частота повторения максимальной концентрации основных химических веществ наблюдается в весенний период. Поэтому рекомендуется в первую очередь аккумулировать в прудах сток весенних половодий.В периоды летней и зикне! іізкеня допустим непосредственный сброс дренажних воц в реки-водоприемники, так как в эти периоды содержание химических элементов в стоке минимально.
Л главе 7 "Расчет экономической эффективности" дается оценка экономического эффекта от применения технологии регулирования водного режима по средневзвешенным горизонтам по сравнению с методом нормированной откачки.Показано на типовом примере,что от поддержания более близким к оптимальному водно-воздушного режима почвы многолетняя прибавка урожайности составит: зерновых - 5,2, картофеля - 10,1, сахарной свеклы - 18,9, многолетних трав (сено) - 4,5 и овощей - 15,2 ц/га.При этом происходит снижение среднемноголетнего объема откачки воды за счет оптимизации работы насосных станций, что дает экономию электроэнергии 71 квгтч на 100 га осушения, или 1% от среднегодовых затрат.
основные выводи И ПРВДЖШШ
I. Выполненные экспериментальные исследования позволили дня характерных конструкций польдеров Белорусского Полесья установить: динамика расходов в магистральном канале характеризуется резким его ростом в начальный период откачки,достигающим в некоторый момент максимального значения, й медленным снижением в последующем, основные изменения расходов про -исходят в течение времени не превышающем одного часа,в дальнейшем изменения составляют в среднем 10...14/5, что позволяет для этого периода пренебречь инерционными составляющими в уравнении.
Сен-Венана; характер снижения уровней в устье магистрального канат при огкачке близок к линейному,подъем жо при прекращении откачки в значительной степени отличается от линейного,что необходимо учитывать при установлении расчетных горизонтов откачки; при огкачке одного и того же объема воды насосами разной производительности зона влияния на уровни распространяется тем дальше, чем меньшим расходом производится откачка.
2. На польдерных системах следует различать два вида влияния
режима откачек насосными станциями на уровенный режим в проводя
щей сети: относительное и абсолютное.
Относительным является влияние, когда цикличная откачка не вызывает изменения положения средневзвешенного профиля, а приводит к колебаниям свободной поверхности воды около средневзвешенного профиля. При этом осушительное действие сети остается неизменным.
К абсолютному влиянию относится изменение положения средневзвешенного профиля. Режим откачки, вызывающий абсолютное влия -ние, приводит также к изменению осушительного действия сети.
3. Критерием оценки осушительного воздействия режима откач
ки может служить положение средневзвешенного профиля воды в про
водящей сети относительно уровней грунтовых вод.
Зкспяуагационныв горизонты откачки в аванкамеро насосной станции наиболее обоснованно назначать исходя из требуемого положения средневзвешенного уровня. Для их расчета рекомендуются формулы ( 3)-(6 ).
4. В процессе эксплуатации мелиорированных торфяных земель
на поверхности почвы образуются замкнутые понижения, в которых
в экстремально многоводные периоды скапливается поверхностный
сток, являющийся причиной вымочек и неблагоприятного водного ре
жима на прилегающих учаспсах. Ускорение отвода поверхностных вод
достигается путем снижения уровней воды в осушительной сети. Рас
чет необходимого положения уровней воды в осушительной сети для
отвода поверхностных вод за требуемые сроки можно производить
по формулам ( 7) - (12 ).
5. Пруды-огсгойники недельного или декадного регулирования,
аналогичные построенному на мелиоративной системе "Бивнево -
Подыше" на обеспечивают за время водообмена снижения концентра
ции химических веществ, поступающих со стоком с сельскохозяйст
венных угодий. Они могут служить только отстойниками взвешенных
наносов.
Пруды сезонного рвгудированич, примененные на воцооборотных системах, обеспечивают снижение концентрации химических веществ, наиболее полно отвечают природоохранному назначению.
Для снижении опасности зягрязнешп водоприемников при откачке избыточных вод с водооборотных систем следует предусматривать заполнение прудов весенним стоком, как наиболее загрязненным.
