Поиск

Расчет осушительных систем на пойменных землях
17.08.2015

Действие осушительных систем на поймах отличается сложностью водного режима. Здесь особую роль играет паводковое затопление, отсутствующее на других элементах рельефа. На внепойменных землях нет водоприемников, оказывающих большое осушающее влияние на прилегающую к ним территорию.
Однако нельзя считать, что имеющиеся формулы для расчета открытой и закрытой сети вообще не применимы для пойм. По мере изучения вопросов движения паводковых вод по поймам и входящих в формулы элементов следует корректировать сами формулы.
Формулы дают возможность перейти от одних условий, для которых имеются объективные показатели работы мелиоративной системы, к другим, для которых известны только отдельные элементы.
Расчет открытой систематической осушительной сети. При проектировании и расчете каналов открытой регулирующей сети определяют; глубину заложения каналов, расстояния между ними, размеры поперечных сечений, уклоны и скорости течения.
Глубина каналов зависит от сельскохозяйственного использования земель, водного питания, слагающих грунтов, расходов воды, механизмов. На слабофильтрующих грунтах, если требуется отвести только поверхностные послепаводковые воды и воды атмосферных осадков, глубину каналов назначают меньше, чем на хорошо фильтрующих грунтах, когда требуется отвести поверхностные воды и понизить уровень грунтовых вод на заданную величину, на торфяных грунтах глубину каналов назначают с учетом осадки и сработки торфа.
Расстояния между каналами при одинаковых глубинах их заложения изменяются в зависимости от возделываемых культур, количества отводимых вод и времени отвода, водно-физических свойств почв, состояния их увлажнения и условий впитывания, испарения и транспирации, уклона и шероховатости осушаемой поверхности.
Определению расстояний между открытыми каналами посвящены работы А.Д. Брудастова, А.Н. Костякова, А.Д. Дубаха, С.Ф. Аверьянова и др.
При выводе формул для определения расстояний между каналами все авторы исходят из формулы Шези, но значение коэффициента С в ней А.Н. Костяков определяет по формуле Базена, а А.Д. Дубах — по формуле Маннинга.
Расстояния между каналами, вычисленные по разным формулам для одних и тех же факторов получаются различными. Например, по формулам А.Д. Брудастова и А.Н. Костякова с увеличением интенсивности осадков расстояния увеличиваются, а по формуле А.Д. Дубаха уменьшаются.
А.Д. Дубах считает, что его формулой можно пользоваться лишь ориентировочно, в условиях паркового хозяйства с выравненными площадями, так как она имеет недостатки, общие для большей части мелиоративных формул, а именно: время стока (Г) и коэффициент шероховатости (n) — величины, менее известные, чем искомая величина.
По формулам, несмотря на трудности определения входящих в них компонентов, можно установить зависимости между отдельными факторами и по изменению их судить о расстояниях. Следует отметить, что все формулы нуждаются в проверке в натурных условиях заболоченных пойм.
Одна из формул для определения расстояний формула С.Ф. Аверьянова:

Расчет осушительных систем на пойменных землях

Расчет расстояний между дренами. Определение расстояний между дренами приобретает важное значение в связи с широким применением дренажа вообще и при мелиорации пойм в частности. С изменением расстояний изменяется стоимость дренажа и осушения пойм.
Расчет осушительных систем на пойменных землях

Рассмотрим некоторые из имеющихся методов расчета расстояний между дренами, наиболее удовлетворяющих условиям осушаемых пойм.
В 20-х годах в мелиоративной литературе были опубликованы теоретические формулы для определения расстояний между дренами при установившемся движении грунтовых вод (в других отраслях формулы установившегося и неустановившегося движения известны значительно раньше).
И. Люгером дано решение для определения расхода, поступающего с водосбора грунтового потока, подпитываемого осадками, которое позволяет построить кривую депрессии, определить положение уровня грунтовых вод на разных расстояниях от дрены и расстояние между дренами при установившемся движении.
К каналу (реке) движется грунтовый поток с постоянным расходом Q, который по пути своего движения подпитывается атмосферными осадками интенсивностью q. При приближении к каналу расход от атмосферных осадков увеличивается q (L—х).
Расход в сечении у на расстоянии х от канала составляет
Расчет осушительных систем на пойменных землях

и приравнивается к расходу, поступающему с водосбора и от инфильтрации осадков,
Расчет осушительных систем на пойменных землях

После интегрирования и замены y=h0 при х=0 получается уравнение кривой депрессии:
Расчет осушительных систем на пойменных землях

При отсутствии атмосферных осадков (q=0) уравнение кривой депрессии имеет вид:
Расчет осушительных систем на пойменных землях

При X=L и у=H получается формула Дюпюи:
Расчет осушительных систем на пойменных землях

Когда притока грунтовых вод со стороны нет (Q=0), уравнение кривой депрессии имеет вид:
Расчет осушительных систем на пойменных землях

При x=L, y=H,L=Е/2 получается формула А.Д. Брудастова:
Расчет осушительных систем на пойменных землях

При уровне воды в канале или дрене h0=0 расстояния между дренами определяют по формуле Роте:
Расчет осушительных систем на пойменных землях

Для глубокого положения водоупора имеется формула А.Н. Костикова:
Расчет осушительных систем на пойменных землях

Решение Дюпюи является точным решением для заданных граничных условий, удовлетворяющим уравнению Лапласа. Решение, аналогичное решению Роте, когда вместо инфильтрации учитывается испарение, как показала П.Я. Кочина, также является точным гидродинамическим решением.
Расчет систематического дренажа при неустановившемся движении грунтовых вод. Неустановившееся движение грунтовых вод, когда положение их уровня изменяется во времени, наиболее характерно для пойменных земель. После схода паводка с поймы понижается уровень грунтовых вод, а вместе с ним изменяются расходы воды из дрен, водоотдача, содержание влаги и воздуха в почве, ее температура.
Имеющиеся формулы для расчета расстояний между дренами не охватывают всех изменений во времени, происходящих в почве при неустановившемся движении грунтовых вод. Расстояния между дренами зависят от исходной и требуемой глубины грунтовых вод, залегания водоупора, коэффициентов фильтрации и водоотдачи.
А.Н. Костяков в 1932 г. впервые в гидромелиорации вывел формулы для определения расстояний между дренами при неустановившемся движении грунтовых вод в однородных грунтах при разном положении водоупора от уровня заложения дрен.
Это явилось большим научным и практическим достижением для расчета дренажа при осушении сельскохозяйственных земель.
Формулы получены из уравнения баланса грунтовых род и позволяют рассчитать расстояния для достижения заданного положения уровня грунтовых вод (норма осушения) и времени.
Уравнение баланса грунтовых вод, по А.Н. Костикову, имеет вид:
Расчет осушительных систем на пойменных землях

где расход воды в дрену принят равным
Расчет осушительных систем на пойменных землях

Формулы аналогичного вида были получены Г.Д. Эркиным (1934 г.), А.И. Ивицким (1935 г.), В.Д. Степановым (1938 г.), С.Ф. Аверьяновым (1939 г.) и Е. С. Марковым (1939 г.).
Формулы для определения расстояний между дренами при заложении их на водоупоре после приведения к одним буквенным значениям входящих компонентов принимают вид:
Расчет осушительных систем на пойменных землях

Ниже рассмотрены формулы для определения расстояний между дренами при глубоком залегании водоупора при неустановившемся движении. А.Н. Костяков в 1932, г. вывел формулу для определения расстояний между дренами при неустановившемся движении, когда дрены расположены выше водоупора. Объем воды, отводимый дренами, приравнивается к объему воды, поступающему из грунта при понижении уровня грунтовых вод за тот же интервал времени:
Расчет осушительных систем на пойменных землях

Ввиду того что формулы не охватывают всего комплекса условий, от которых зависят расстояния между дренами, необходимо, кроме теоретических исследований, во всех характерных зонах России организовать систематические натурные исследования работы дренажа и, в частности, изучение- вопросов, связанных с глубинами заложения дрен и расстоянием между ними. Формулы дадут возможность перейти от исследованных участков к другим, отличающимся водоотдачей, коэффициентом фильтрации, нормой осушения и т. д. В настоящее время для определения водоотдачи, если первоначальный уровень грунтовых вод находится у поверхности земли, получили наиболее широкое применение следующие формулы:
Расчет осушительных систем на пойменных землях

Формулы характеризуют полную водоотдачу для конечного процесса отекания.
Лабораторные исследования по проверке формул. Для установившегося движения автором были проверены формулы Люгера, Дюпюи, А.Д. Брудастова. Опыты выполнялись в Московском гидромелиоративном институте на лотке с внутренними размерами: длина 744 см, ширина 69, высота 80 см. Наполняли лоток на глубину 60 см песком с коэффициентом фильтрации 0,021 см/с (или 19,74 м/сутки), с высотой капиллярного поднятия 27,4 см и полной водоотдачей 0,23. Дрены располагали на водоупоре и на разных расстояниях от него, изменяя расходы. Расстояния между дренами были 12; 6; 3; 2; 4 м.
В таблице 45 приведены координаты поверхности грунтовых вод, опытные и определенные по формуле Люгера, с учетом и без учета высоты выклинивания. Ординаты поверхности грунтовых вод, определенные по формуле и опытные, почти совпадают (разница в отдельных значениях не превышает 4%).
При определении ординат поверхности грунтовых вод по формуле Дюпюи (табл. 46) за начальные отсчеты принималась глубина воды в нижнем бьефе с учетом и без учета высоты выклинивания грунтовых вод. В обоих случаях разница опытных и теоретических значений ординат не превышает 4%.
Расчет осушительных систем на пойменных землях
Расчет осушительных систем на пойменных землях

Проверка формул А.Д. Брудастова (рис. 58) также показала близкую сходимость с опытными данными (табл. 47). При дренах, расположенных выше водоупора (17, 18, 19, 20; 17—2; 18—3; 19—4; 20—5; 17—12—2; 18—13—3; 19—14—4; 20—15), напоры отсчитывались от водоупора.
Следовательно, формулы Люгера, Дюпюи, А. Д. Брудастова можно применять при расчете дренажей на поймах при соответствующем водном питании.
Расчет осушительных систем на пойменных землях
Расчет осушительных систем на пойменных землях

Для условий неустановившегося движения, когда грунт полностью насыщен атмосферными осадками или паводковыми водами и дальнейший приток их в грунт прекратился (под влиянием оттока воды из дрен уровень грунтовых вод понижается), сравнивались результаты лабораторных исследований с вычислениями по формулам С.Ф. Аверьянова, Буссинеска, Дизерзенса, А.Н. Костякова, Г.Д. Эркина и др.
При постоянном значении водоотдачи, соответствующем конечной стадии понижения грунтовых вод и прекращению оттока воды из дрен, значения времени понижения кривой депрессии по всем формулам в несколько раз отличались от опытных (табл. 48, рис. 59).
Расчет осушительных систем на пойменных землях

Расхождения в результатах вызваны тем, что движение рассматривалось неустановившееся, а водоотдача принималась постоянная, соответствующая конечному процессу понижения уровня грунтовых вод, конечному процессу оттока воды из грунта. Как было установлено автором, изменяющемуся во времени уровню грунтовых вод должна соответствовать переменная водоотдача, которая зависит от скорости понижения грунтовых вод.
С понижением грунтовых вод под действием дренажа скорость во времени уменьшается, а соответствующая водоотдача возрастает (табл. 49), то есть она находится в обратной зависимости от скорости понижения (рис. 60). Водоотдачу определяли как отношение объема вытекшей из дрен воды за интервал времени dt к объему грунта по формуле
Расчет осушительных систем на пойменных землях

где q — расход воды, вытекшей из дрен за время dt;
dh — глубина понижения за тот же интервал времени;
E— расстояние между дренами;
b— ширина потока.
Водоотдача при неустановившемся движении может быть выражена следующей зависимостью:
δ = A/vm,

где v — скорость понижения уровня грунтовых вод dh/dt.
На рисунке 60 изображена зависимость водоотдачи δ от скорости понижения грунтовых вод, полученная на основании многочисленных опытов.
При проверке формул с учетом изменения водоотдачи от скорости понижения уровня грунтовых вод все формулы дали результаты, близкие к полученным в опытах (табл. 50, рис. 61).
Расчет осушительных систем на пойменных землях
Расчет осушительных систем на пойменных землях

Это позволяет сделать вывод, что формулы можно успешно применять для подсчета расстояний между дренами для граничных условий, принятых при их выводе, если правильно определять входящие в них компоненты.
Расчет осушительных систем на пойменных землях

Расчет глубоких каналов. Глубокие каналы применимы при осушении пойменных земель, когда торф или минеральные слабопроницаемые грунты подстилаются более водопроницаемыми или когда осушаются поймы с мощной залежью торфа и каналы не прорезают ее.
Глубокие каналы позволяют понизить грунтовые воды на необходимую глубину значительно быстрее мелких. Чем глубже каналы, тем больше расстояние между ними. При осушении пойм, затопляемых паводковыми водами, условия работы глубоких каналов отличаются от условий их работы при осушении внепойменных низинных болот.
При осушении пойм глубокие каналы должны сбрасывать в водоприемник поймы паводковые воды и понижать на заданную глубину в течение заданного времени грунтовые воды, уровень которых после паводка устанавливается у поверхности земли. Поэтому расстояние между каналами, по-видимому, будет меньше, чем на низинных внепойменных болотах, а в ряде случаев применение их нецелесообразно, так как более эффективным может оказаться глубокий дренаж. Ho ни глубокие каналы, ни глубокий дренаж неприменимы для осушения пойм в тех случаях когда невозможен самотечный брос воды, а переход на механический водоподъем экономически не оправдан.
При осушении пойменных земель глубокими каналами задача состоит в определении расстояний между ними при заданных величинах нормы осушения, времени ее достижения глубине заложения и других данных. Расстояние между каналами определяют по формуле С.Ф. Аверьянова:
Расчет осушительных систем на пойменных землях

Результаты наблюдений за осушительным действием глубокого Дроватицкого канала в пойме р. Оки показывают его большую эффективность.
Влияние регулирования реки на понижение грунтовых вод. Прогноз подтопления. Высокие уровни воды в реках-водоприемниках осушительных систем бывают постоянными и временными, продолжительными и непродолжительными, естественными и искусственными.
Подпор уровней воды в реке вызывает подъем грунтовых вод в поймах. В зависимости от величины подпора, его продолжительности и фильтрационной способности слагающих поймы грунтов дальность распространения и продолжительность подтопления различны. Постоянные подпоры уровней воды в реке искусственными сооружениями вызывают постоянные подпоры грунтовых вод в пойме.
Естественные подпоры грунтовых вод на древнеозерных поймах в вегетационный период и во время производства сельскохозяйственных работ устранимы регулированием рек-водоприемников, искусственные подпоры — сносом сооружений, увеличением пропускной способности отверстий мостов, понижением порогов шлюзов и т. д.
Расчет осушительных систем на пойменных землях

Если эти мероприятия по регулированию нельзя провести, устраивают береговые дренажи, ловчие каналы или головные дрены и осушительную сеть, в зависимости от конкретных условий объекта. При создании подпора на реках определяют расчетом дальность, глубину подтопления и время распространения подпора на пойме. Это необходимо для определения характера защитных мероприятий и планирования сроков их строительства.
Положение уровня грунтовых вод на пойме (вследствие подпора в реке при создании водохранилищ, гидроэлектростанций, судоходных шлюзов и т. д.) определяют несколькими методами для установившегося и неустановившегося движения. Установившееся движение характерно для завершения процесса распространения подпора грунтовых вод, когда уровни воды в водохранилище или реке и уровни грунтовых вод на пойме практически стабилизировались. Неустановившееся движение характеризуется непостоянством уровней воды в реке (водохранилище) и вследствие этого изменением уровней грунтовых вод. Или же оно наблюдается в тех случаях, когда уровни воды заняли расчетное установившееся положение, а подпор грунтовых вод еще не достиг своего, конечного положения. Этот процесс может продолжаться в течение многих лет.
Определение подпора при установившемся движении методом Кене. Этот метод одинаково применим для определения изменения положения грунтовых вод как при подпоре, так и при снижении уровня в реках-водоприемниках после их регулирования. Расход грунтового потока и коэффициент фильтрации грунта до и после подпора в реке (водохранилище) принимают постоянными.
Г.Н. Каменский предложил следующее уравнение для определения подпора или спада грунтовых вод:
Расчет осушительных систем на пойменных землях

При выводе формулы принято, что расход и коэффициент фильтраций до и после подпора постоянны.
По формулам H.Н. Павловского можно определить изменение уровня грунтовых вод в пойме при изменении уровня грунтовых вод в реке, если известно положение уровня воды в реке до и после подпора и положение грунтовых вод до подпора.
Метод С.Ф. Аверьянова в отличие от методов Кене, формул H.Н. Павловского, Г.Н. Каменского и других, предполагающих, что расход грунтового потока до и после подпора постоянный, учитывает изменение расхода грунтового потока по его длине с построением эпюры расходов. Расход для отдельных участков грунтового потока определяется по формуле
Расчет осушительных систем на пойменных землях

При параллельноструйном потоке, когда b1=b2, формула имеет вид:
Расчет осушительных систем на пойменных землях

где z — падение уровня грунтовых вод между двумя соседними сечениями, м;
L — расстояние между сечениями, м;
b — ширина полосы по направлению гидроизогипс, м;
ΣKh — сумма произведений коэффициента фильтрации прослоев на их мощность в пределах грунтового потока.
Для построения эпюры расходов по оси абсцисс откладывают расстояния между створами, а по оси ординат — значения расходов. Эпюра расходов позволяет установить изменение расхода по длине потока и определить влияние на него осадков, испарения, каналов (рис. 63).
Расчет осушительных систем на пойменных землях