Постороение водохранилища на местном стоке

                                              Введение

Оросительная система  — это земельная территория, оборудованная комплексом гидротехнических и вспомогательных сооружений и устройств для орошения. Оросительная система должна обеспечивать своевременную и в необходимых количествах подачу воды для поливов сельскохозяйственных культур, наиболее полное и высокопроизводительное использование сельскохозяйственной техники и земельной территории, высокую производительность труда на поливе и наименьшие потери оросительной воды. В состав оросительной системы входят следующие элементы 

Водохрани́лище — искусственный водоём, образованный, как правило, в долине реки водоподпорными сооружениями для накопления и хранения воды в целях её использования в народном хозяйстве.

Местный сток — поверхностный сток воды, образующийся за счет атмосферных осадков (дождя и снега), выпадающих на данной водосборной площади. М. с. обычно искусственно задерживают весной при таянии снега. Для этого в естественных понижениях местности (балках или лощинах) устраивают плотины.                                              

На долю южной части  России, где проживает ³/₄ всего населения и производится более ²/₃ промышленной и сельскохозяйственной продукции, приходится всего лишь 14% речного стока (в среднем за многолетний период). Недостаток речного стока здесь можно в какой-то мере покрыть за счет более полного использования местного стока, образующегося в данном районе, в данной местности.

Местный сток можно использовать путем снегозадержания и других агротехнических приемов (зяблевая вспашка поперек склона с прерывистым бороздованием,  почвоуглубление,  щелевание, мульчирование поверхности почвы и ее оструктуривание, рядовые, или полосные, посевы и т. п.) или мелиоративных мероприятий (террасирование склонов), а также строительства лиманов. Местный сток, который не удалось задержать непосредственно на полях, можно аккумулировать в прудах, устраиваемых на балках, оврагах (действующие овраги при этом закрепляют) и в других понижениях рельефа.

    Местный сток  — это преимущественно поверхностный  сток, формирующийся в пределах однородного физико-географического района. Вода местного стока, наряду с водами крупных рек, имеет большое значение для успешного развития орошаемого земледелия.

Норма местного стока по Оренбургской области изменяется в  пределах 20—30 тыс. м³/км² в восточных районах и до 60—90 тыс. м³/км² в северных, центральных и западных районах.

В 1990 г. площадь орошаемых  земель в Оренбургской области достигала 90 тыс. га, на современном этапе она  составляет всего около 10 тыс. га и  продолжает уменьшаться. Этот факт красноречиво говорит о том, что водные и  земельные ресурсы Оренбургской области неэффективно используются для получения прироста орошаемых  земель за счет использования местных  водных источников.

В зависимости от рельефных  условий, расположения источника орошения, типа водозабора и способов подачи воды, энергетических и технических возможностей орошаемых хозяйств оросительные системы на местном стоке по своей конструкции так же, как государственные системы, делятся на три основных типа: открытые, закрытые и комбинированные. Наиболее часто строят закрытые или комбинированные.

К открытым оросительным системам относятся самотечные, когда источник орошения находится выше орошаемого участка и вода на орошение поступает самотеком по открытому каналу или лотковой сети. Этот тип оросительной системы самый простой и дешевый, так как не требует энергетических затрат на подачу воды. Недостатком его являются относительно большие потери воды на фильтрацию в каналах, проходящих в земляном русле. При данной схеме орошения поливной участок располагают как можно ближе к источнику орошения. Из открытой подводящей оросительной сети вода поступает обычно во временные оросительные каналы для поверхностного полива дождеванием.

При закрытой оросительной системе воду от водоисточника до орошаемых культур подают по закрытым трубопроводам. Такая система также может быть одно-, двух- и трехъярусной. Она чаще бывает двустороннего командования. Эти системы наиболее совершенны, имеют высокий КПД, на них могут быть полностью механизированы и автоматизированы процессы полива, что значительно повышает производительность труда, а также позволяет более экономично распределять воду по хозяйственным подразделениям, севооборотам и каналам.

Комбинированная схема орошения наиболее распространена, особенно когда орошаемый участок расположен выше источника орошения и вода к нему подается механическим водоподъемником, передвижными или стационарными насосными станциями. В этом случае воду по напорному трубопроводу транспортируют на самую высокую отметку местности в приемный бассейн или прямо в головное русло распределительного канала, откуда она самотеком поступает во временную оросительную сеть. Такая система имеет ряд преимуществ перед открытой: КПД выше, возможны автоматизация и механизация процессов распределения воды по каналам. Комбинированная система по стоимости строительства 1 га в два — три раза дороже открытой, но в эксплуатации более эффективна.

Комбинированная система  состоит из водозабора, транспортирующего водовода из асбестоцементных или металлических труб, приемно-распределительного бассейна, расположенного на самой высокой точке орошаемого участка, магистрального или распределительного канала и закрытых поливных трубопроводов с гидрантами. Эти системы могут быть одно-, двух- и трехъярусными.

 

 

 

1.Водохозяйственные  расчеты

1.1.  Выбор места  под плотину и чашу водохранилища

При проектировании оросительной системы с водохранилищем для  регулирования местного стока главным  технологическим элементом является земляная плотина, возводимая из местного грунта, которая обеспечивает создание подпора воды в водохранилище. В этом случае следует ложе водохранилища расположить в таком месте, в которое не должны притекать сточные воды населенных пунктов, кладбищ, скотомогильников и других загрязненных мест. Лучше всего водохранилище располагать выше населенного пункта.

Берега чаши водохранилища  должны быть не крутыми, не обрывистыми, но и не пологими. Крутые берега быстро размываются, что приводит к заилению пруда.

Берега и ложе водохранилища должны состоять из водонепроницаемых грунтов - глин или суглинков.

Плотину лучше  располагать в суженной части  балки, причем желательно, чтобы выше плотины балка была широкой и глубокой. Это позволит накапливать большой объем воды в водохранилище при выполнении небольшого объема земляных работ.

В основании плотины  должны залегать водонепроницаемые  грунты, которые должны находиться либо на поверхности земли, либо на глубине не более 1,5—2,0 м от поверхности земли. Нельзя выбирать место под строительство плотины там, где имеются выходы грунтовых (родниковых) вод.

В гидротехническом строительстве применяемые плотины  разделяются по типу материалов, из которых они возводятся: на земляные, каменные, бетонные и железобетонные; по условиям пропуска воды - водосливные и глухие, а также по высоте подъема уровня воды в верхнем бьефе — на низконапорные (до 10 м), средненапорные (от 10 до 25 м) и высоконапорные (свыше 25 м). Работы по рациональному использованию местного стока начинаются с составления побассейновых схем размещения водохранилищ, прудов, лиманов, участков регулярного орошения и накопления влаги в почве для всей территории колхозов и совхозов, расположенных на водосборной площади. Сначала намечают эти мероприятия по отдельным водосборам балок и оврагов, а затем и для всего бассейна реки.

1.2. Определение  возможного притока воды в  водохранилище

В настоящее время гидрологический  расчет прудов, предназначенных для орошения, проводят на сток 75%-ной или 50%-ной обеспеченности в зависимости от потребности данного хозяйства в воде. Сток 50%-ной обеспеченности — среднемноголетний сток. Это означает, что на данном водосборе в течение 5 из 10 или 50 из 100 лет сток будет равен этому значению или больше, и в 50% лет сток будет меньше. Для курсового проекта за расчетный год принимаем год 50%-ной обеспеченности, при условии наполнения водохранилища стоком воды 50 раз из 100 лет (условно). Возможный годовой объем притока воды в водохранилище S_50% (м³) на год 50%-ной обеспеченности стоком определяется по формуле:

S_50%=N_50% * F * К,

где N- норма стока, м³ с км²;

F - площадь водосбора, км²;

K- модульный коэффициент 50%-ной расчетной обеспеченности.

Норма стока (N_50%) принимается по картам зонального районирования гидрологических расчетов. По Оренбургской области норма стока изменяется в пределах от 20000—35000 м³ с км² в восточных районах и до 60000—90000 м³ с км² в северных, центральных и западных районах.

Модульный коэффициент для  года 50%-ной расчетной обеспеченности принимается равным от 0,75 до 0,95.

S_50%=37000 * 48 * 0,9= 1598400 м³

 

 

 

1.3. Определение емкости чаши водохранилища

Основной характеристикой  водоема служит зависимость площади  и объема воды от его глубины Н.

Построение графической  зависимости кривых производится в  следующем порядке: определяется площадь зеркала водохранилища или пруда путем планиметрирования горизонталей, характеризующих на картах рельеф местности; на оси ординат откладываются отметки уровней, а на оси абсцисс — соответствующие площади зеркал воды. Путем соединения точек пресечения координат определяется искомая

кривая.

Объем воды, который может  вместить чаша водохранилища, определяется по плану в горизонталях. Емкость чаши водохранилища состоит как бы из нескольких объемов, отсекаемых горизонталями, поэтому она определяется по каждой горизонтали. Для этого вычисляют площади (F,м²), ограниченные каждая горизонталью и створом плотины (также по клетке-палетке, как и водосборную площадь, но в масштабе - 1:1000), затем определяют объем воды, заключенный между двумя соседними горизонталями.

Объем водоема подсчитывается последовательным суммированием объема отдельных слоев, заключенных между двумя смежными горизонталями, начиная с низких отметок.

Объем, отсекаемый нижней горизонталью, будет равен:

W_н=1/3* F_н*h, где W_н — объем воды, м³;

  F_н- площадь зеркала по нижней горизонтали, м²;

  h -сечение горизонталей рельефа местности, м.

W₂₄= 1/3 * 38400 * 1= 12800м³

Все остальные объемы воды, заключенные между горизонталями, определяются по средней площади  соседних горизонталей. Так, объем, заключенный  между нижней и второй (соседней) горизонталью, будет равен:

W_н=(F_н+F₂)/2 * h

между второй и третьей  горизонталью:

W₂=(F₂+F₃)/2 * h

В общем виде можно записать:

W_i=(F_i-1+F_i)/2 * h_i

Где F_i-1 и F_i – площади зеркала водохранилища на двух смежных горизонталях;

  h_i-высота слоя воды между смежными горизонталями (обычно равна 1 метру).

W₂₅= (38400+101200)/2 * 1= 69800м³

W₂₆= (101200+144100)/2 * 1= 122650м³

W₂₇= (144100+184200)/2 * 1= 164150м³

W₂₈= (184200+264300)/2 * 1= 224250м³

W₂₉= (264300+249300)/2 * 1= 256800м³

 

Расчеты сводятся в таблицу 1:

№ п/п	Наименование горизонталей	Площадь по одной данной гориз-ли,м2 F	Средняя площадь между 2 гориз-ми,м2 Fср.	Сечение гориз-лей,м R	Объем воды между соседн.гориз-ми,м3 Wсп	Объем до данной гориз-ли,м3 W
24	1	38400		1	12800	12800
25	2	101200	69800	1	69800	82600
26	3	144100	122650	1	122650	205250
27	4	184200	164150	1	164150	369400
28	5	264300	224250	1	224250	593650
29	6	249300	256800	1	256800	850450

 

       Сумма  чисел графы 6 или последняя  цифра в графе 7 показывают, какой  объем воды может вместить  чаша водохранилища при данных  топографических условиях.

Полученную емкость водохранилища  (W) необходимо сравнить с объемом возможного притока воды в водоем (S_50%).

когда объем притока воды в водоем (S_50%) больше емкости чаши 
водохранилища (W). В этом случае общий объем пруда будет равен 
емкости чаши водохранилища (w_общ.).

1.4.  Построение  интегральных кривых площади  зеркала и емкости водохранилища

Интегральные кривые необходимо иметь для производства дальнейших расчетов. На оси ординар наносится наименование горизонталей (отметки), а на оси абсцисс шкала объемов и шкала площадей. Масштаб выбирается произвольный. Для построения кривой из таблицы 1 по каждой горизонтали выбираются соответствующие им значения площади горизонтали (графа 3) и объем до данной горизонтали (графа 7), и эти точки наносятся на график.

Соединяя плавной кривой нанесенные точки, получим интегральные кривые площади и объема водохранилища.

1.5.Определение полного объема пруда

      При водохозяйственных  расчетах ориентироваться на  использование полного объема пруда нельзя, т. к. за летний период значительное количество воды будет потеряно на испарение и фильтрацию.

В пруду всегда должен находиться объем воды, необходимой для жизни  рыб. Слой воды в пруду (помимо наносов) должен быть не менее 1,5-2,0 м. Объем воды (отвечающий этому слою) и расчетный объем заиления называется мертвым объемом пруда.

Таким образом, общий объем  пруда может быть определен так:

W_общ.=W_{полезн.}+W_м.о.+W_исп.+W_ф.,где W_общ.- общий объем пруда,м³;

W_полезн – полезный объем пруда, м³;

W_м.о.- мертвый объем пруда,м³;

W_исп – объем испарения,м³;

W_ф – объем фильтрации,м³.

1.5.1Определение мертвого объема

Мертвый объем состоит  из объема наносов, которые накапливаются  в пруду за период между чистками пруда, и объема воды, соответствующего слою 1,5—2,0 м.

Объем наносов W_нан. (м³) определяется по формуле:

W_нан.= S_50%*M *t/1000*y,

где S_50% — объем возможного притока воды в пруд, м³;

М - мутность воды, притекаемой  в водоем (количество килограммов  наносов, содержащихся в каждом м³ воды), равняется 1,6-2,0 кг/м³;

t - период между чистками пруда (15-20 лет);

у - объемный вес наносов 1,3—1,5 т/ м³;

1000 — переводной коэффициент  из кг в тонны (м³).

W_нан.=( 1598400*2*20)/1000*1,5= 42624 м^3.

Полученный по формуле  объем наносов откладывается  на шкале объемов интегральной кривой и проводится линия до пересечения  с кривой объемов.

К отметке наносов добавляют 1,5—2,0 м и получают отметку Мертвого объема пруда. Зная отметку мертвого объема пруда, пользуясь интегральной кривой объема пруда, определяют мертвый  объем.

W_м.о.= 125000м³.

1.5.2.Определение  объема испарения и объема  фильтрации

Для определения объема испаряющейся воды необходимо знать слой испарившейся воды и площадь, с которой происходит испарение. Tогда объем испарения будет равен:

W_исп.= F_исп.*h_исп., где W_исп.- объем испарения, м³;

 F_исп. - площадь испарения, м²;

 h_исп.- слой испарения, м. 

Слой испарившейся воды может  быть определен по формуле Н.В.Тихомирова:

h_исп.= d*(15+3*v)

где d- дефицит влажности воздуха, мб.

       v — скорость ветра, м/с;

Для курсового проектирования дефицит влажности воздуха (d) в среднем за период может быть принят в пределах 8—12 мб, скорость ветра - в пределах 5—7 м/с.

Площадь испарения в течение  всего периода будет изменяться. Весной она будет равна площади  полной емкости пруда, а осенью –  площади мертвого объема пруда.

h_исп.=10*(15+3*5)= 300 мм=0,3 м.

За расчетную принимают  среднюю площадь, которая определяется по отметке испарения.

Отметка площади испарения  равна:

F_исп.= (НПГ+ГМО)/2, где F_исп. - отметка площади испарения;

НГП- отметка наивысшего подпертого горизонта воды в пруду;

ГМО- отметка горизонта мертвого объема.

НПГ и ГМО берутся по интегральной кривой по шкале отметок.

НПГ=249300; ГМО=125000.

F_исп.=( 249300+125000)/2=187150 м²

W_исп.= 187150* 0,3= 56145 м³.

Если берега и дно оврага образованы водонепроницаемыми грунтами (глины, тяжелые суглинки), то объем воды на фильтрацию принимается равным 5-10% от полного объема пруда; при слабопроницаемых прудах — 10—15%.

W_общ,= 850450 м³

W_ф.= 0,1* 850450= 85045м³.

Таким образом, W_{полезн.}=W_общ.- (W_исп.+W_ф.+W_м.о.),

W_{полезн.}= 850450 -(56145+85045 +125000)= 584260 м³.

 

 

 

2.Проектирование  плотины

2.1. Классификация  плотин

По способу возведения земляные плотины подразделяют на насыпные, намывные и полунамывные. Насыпные плотины возводят послойной отсыпкой грунтов насухо с последующим уплотнением механическими средствами или отсыпкой в воду. Намывные плотины возводят средствами гидромеханизации. В этом случае разработку грунта в карьере, его транспортировку и укладку в сооружение производят гидравлическим способом при помощи воды. Полунамывные плотины возводят частично отсыпкой грунта, а частично намывом (центральная зона или низовая призма).

По высоте земляные плотины  делят на низкие (напор менее 15 м), средней высоты (напор 15-50 м) и высокие (напор более 50 м).

Земляные насыпные плотины  подразделяют на различные типы в  зависимости от конструкции поперечного  профиля, конструкции противофильтрационных  устройств в основании и способа  возведения.

Намывные плотины разделяют  по конструкции поперечного профиля на однородные и неоднородные. Поперечный профиль однородных плотин формируют принудительно (с устройством дамб обвалования) или в результате свободного растекания пульпы со стороны одного или обоих откосов; поперечный профиль неоднородных плотин формируют принудительно, намыв ведут двусторонним способом с поддержанием прудка-отстойника.

2.2.Проектирование плотины

Земляная плотина представляет собой хорошо утрамбованную насыпь, выполненную из слабоводопроницаемого грунта. Лучшим материалом для насыпи плотины являются суглинистые и супесчаные грунты с содержанием в них 50—60% песка. На рисунке 6 показан поперечный разрез плотины АБВГ с замком.

Определение размеров элементов плотины

1. Высота гребня плотины  (ГП) должна быть больше, чем глубина  воды перед плотиной (НПГ), не меньше, чем на 1,0 м, и определяется по формуле:

h_зап.=(0,7+0,5)+ h_волны,

где h_зап. - величина сухого запаса гребня плотины (ГП) над расчетным горизонтом (НПГ), м;

h_волны=высота разгона волны (м) — определяется по формуле Е. А. Замарина:

h_волны= 0,5 + 0,1L

где L — длина разгона волны по наибольшему измерению зеркала пруда, км.

2. Ширина плотины по  гребню (Б-В), при небольшом движении автотранспорта принимается равной 4,5 м.

3.Ширина плотины у основания  (А-Г) определяется по формуле:

В= b + H_max * (m₁+m₂),

     В- ширина  плотины у основания, м;

b- ширина плотины по гребню, м;

H_max - высота плотины, м;

  m ₁ - коэффициент заложения верхового откоса;

       m ₂- коэффициент заложения низового откоса.

4. Если под основанием  плотины водопроницаемые грунты  залегают на некоторой глубине,  то в этом случае, чтобы уменьшить  фильтрацию воды под плотиной, прибегают к устройству глиняного  замка. Глубина замка определяется  из условия, чтобы он врезался  в водопроницаемый слой на 0,5—0,7 м. Ширина замка по дну принимается  равной 1/3 ширины плотины по гребню, т.е. 1,5 м. Стенки замка выполняются  сложением откосов т = 1,5—1,0.

 

 

 

2.3.  Определение  объема земляных работ по устройству  пруда

2.3.1. Насыпка тела  плотины

Обьем земляных работ по насыпке тела плотины определяется по формуле:

W= F_ср. * L,

Где W- объем насыпи плотины, м³;

L – длина плотины по гребню,м;

F_ср.- площадь поперечного сечения земляной плотины при средней высоте плотины, м².

    Величина средней площади поперечного сечения плотины определяется по формуле:

F_ср.= (b+B_ср.)/2 * H_ср.,

где F_ср. - площадь поперечного сечения плотины, м²;

b- ширина плотины по гребню, м;

В_ср. – ширина плотины по подошве, определяется по формуле:

В_ср. = b+H_ср. * (m₁+m₂),

   где Н_ср. – средняя высота плотины,м.

Величина средней  высоты плотины определяется по продольному профилю из условия:

Н_ср. = _сумма Н/ n,

где Н_ср. - высота плотины, м;

SH- сумма высот плотины, м;

n- количество расчетных значений высоты плотины.

Заложения откосов  плотины (m_l и т₂) принимаются по данным задания.

2.3.2. Снятие растительного грунта

Растительный  слой земли снимается с площади  основания плотины (со дна и берегов оврага) на глубину 0,3 м. Площадь основания плотины определяется по средней высоте плотины.

Объем земляных работ по снятию растительного грунта будет равен:

W_р = F_осн. * h,

W_р - объем работ, м³;

     h- глубина снятия растительного слоя, равна 0,2—0,3 м;

     F_осн. - площадь основания плотины, находится по формуле:

F_осн. = В_ср. * L

 

/'

2.3.3. Устройство  замка

Объем земляных работ по устройству замка определяется путем умножения площади поперечного сечения замка вала на длину его.

W₃ = (b₃ *h₃ + m₃ *h₃²) * L₃,

Где W₃ -  объем земляных работ по устройству замка, м³;

B₃-  ширина замка по дну, м;

h₃ - глубина замка, м;

m₃- заложение откосов.

Устройство водосбросного  канала.

Водосбросной  канал является обязательным сооружением  в каждой плотине.

Объем земляных работ приближенно может быть принят равным 6-8% от объема земляных работ  по насыпке тела плотины.

Крепление откосов  плотины и другие виды ручных работ  принимаются примерно 4—6% от объема земляных работ по устройству плоти.

2.3.4. Определение оросительной способности пруда

Оросительную  способность пруда, т.е. количество гектаров,  которое можно оросить из данного пруда, определяют упрощенной формуле:

W_нетто = W_{полезн.} / М_пр. , 

где  W_нетто ^_ оросительная способность пруда, га;

W_{полезн.} - полезный объем пруда, м³;

М_пр. - приведенная оросительная норма, которая равна 1800—4000 м³/га, с учетом потерь воды в пруде и в каналах оросительной системы, что соответствует коэффициенту использования прудовой воды, равному 0,7—0,75.

W_нетто = 584260 м³/ 3250 м³/га =179,8га.

 Затем определяют площадь брутто участка орошения с учетом отчуждения площади под оросительные каналы, дороги, лесополосы по формуле:

W_брутто = W_нетто / КЗИ

где  W_брутто  -оросительная способность пруда (брутто), га;

W_нетто  - оросительная способность пруда (нетто), га;

КЗИ — коэффициент земельного использования, принимается равным 0,75-0,95.

W_брутто =179,8га / 0,78=230,5 га.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ  ОРОСИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

3.1. Организация  орошаемой площади на местном стоке

Вначале обследуется и  оконтуривается орошаемый участок  и по возможности ближе к пруду  и с наиболее благоприятным рельефом.

Площадь орошаемого участка  выбирается по оросительной способности  пруда, в зависимости от планового расположения магистрального канала, характера севооборота и разбивки полей, техники и способов полива.