Проектирование пруда и определение режима его работы

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

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

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

Воду местного стока используют на орошение и обводнение.

1.1. Выбор места створа плотины

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

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

Створ плотины выбирается с учетом следующих требований:

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

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

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

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

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

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

Рис. 1 Карта водосборной площади М 1:50000

Сечение рельефа – 5 метров

- Зона затопления

Площадь водосбора = 35.7 км²

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

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

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

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

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

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

1.2. Расчет притока воды в пруд

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

W = 1000 ·h_с ·F₁, м^³ ;

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

F - площадь водосбора, км².

Слой весеннего стока h_с определяется:

h_с = ·К_р, мм;

где - норма весеннего стока;

К_р - модульный коэффициент.

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

Для Сергиевского района = 50 мм. Эта величина равна 50 мм, следовательно, поправка равно 1,0.

= 50 · 1.0 = 50 мм

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

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

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

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

В нашем примере коэффициенту вариации С„ = 0,6 соответству­ет модульный коэффициент К_р = 1.

Слой весеннего стока для 85%-ной обеспеченности:

h_с = · К_р = 50 ·0.6= 30 мм

Объем весеннего стока:

W = 1000 · h_с · F₁ = 1000 ·30·35.7км² =1071000 м³

Именно на этот объем (1071000 м³) необходимо рассчитать пруд. Все расчеты сводим в таблицу 1.

Таблица 1.

Расчет притока воды в пруд (район Сергиевский)

Показатели	Ед. измерения	Расчетные величины
1. Площадь водосбора (F1)	км2	35.7 км2
2. Норма весеннего стока ()	мм	50 мм
3. Поправочный коэффициент весеннего стока	-
4. Коэффициент вариации (СV)	-	0.5
5. Расчетная обеспечен­ность (Р)	%	85%
6. Коэффициент вариации с учетом поправки на местные условия 7. Модульный коэффициент (Кр) 8. Слой весеннего стока (hс) 9. Объем весеннего стока	-   - мм м3	0.6

1.3. Определение объемов пруда и режима его работы

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

Полезный объем складывается из объемов воды на орошение и водоснабжение.

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

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

Рис. 2. План участка водоема

М 1:5000

Сечение рельефа – 1 метр

Рис. 3. Определение объемов воды в пруду

Объемы по каждому слою равны:

W₁ =

W₂ = и т. д.

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

W_n = 1/3 ·F_n ·h;

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

h - глубина воды (сечение горизонталей).

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

Все вычисления заносим в таблицу 2.

Таблица 2

Определение объема воды в пруду

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

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

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

На графике отмечаются три нормативных (характерных) уровня:

УМО - уровень мертвого объема;

НПУ - нормальный подпорный уровень;

ФПУ - форсированный {максимальный) подпорный уровень.

Глубина мертвого объема сельскохозяйственного пруда обычно принимается равной 1.5...2 метра. В нашем примере примем 1,8 м, тогда:

Н_УМО = 99,4 + 1,8 = 101,2 м

На графике такой отметке соответствует объем 9632 тыс. м³, и площадь водного зеркала F_УМО =570 тыс. м².

Отметка нормального подпорного уровня − это отметка, до ко­торой поднимается вода в пруду при его расчетном наполнении. В нашем примере расчетное наполнение − 1071000 м³. Такому наполнению соответствует отметка 108.2 м на графике, по которой площадь водного зеркала составит:

F_НПУ = 35625 тыс. м²

Форсированный подпорный уровень для сельскохозяйственных прудов выбирается на 1 метр выше Н_НПУ. Таким образом, Н_ФПУ = 109,2 м.

Такой отметке на графике соответствует W_ФПУ = 162540 тыс. м³ и площадь водного зеркала F_ФПУ =71250 тыс. м².

В нашем примере рабочий объем пруда:

W_раб. = W_полн. – W_УМО = W_НПУ – W_УМО = 1071000 м³ – 9632 м³ = 1061368 м³

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

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

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

W_ф = м³

Потери на испарение определяются по формуле:

W_исп.= F_исп · h_исп.

где h_исп - слой потерь на испарение;

h_исп = 17.87 ·(25 + t)²· (100 – а), мм/месяц;

где t - среднемесячная температура, °С;

а - среднемесячная относительная влажность воздуха, %

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

В нашем примере:

W_исп. = м³ в год.

Общий объем потерь:

W_потерь = W_ф + W_исп. = + 7239 = 16287,75 м³

Полезный объем пруда:

W_{полезн.} = W_раб. – W_потерь =1061368– 16287,75 =1045080 м³

Таким образом, из пруда для орошения и прочих хозяйственных нужд можно взять 1045080 м³ воды в год.

1.4. Оросительная способность водохранилищ

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

F_га =

М _{брутто. ср.} =

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

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

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

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

яровая пшеница - М_ор = 2800 м³/га;

люцерна - М_ор = 4300 м³/га;

озимая пшеница – М_ор = 1600 м³/га

кукуруза - М_ор = 2000 м³/га

при этом люцерна занимает два поля в севообороте.

Тогда:

М_{бр.ср .} = м³/га

F_га = га

Таким образом, из запроектированного пруда можно оросить 243 га.