Обеспеченность расчетных расходов и условия их пропуска для

водоприемников и проводящих каналов осушительных систем площадью до 2 тыс. га [3]

 

Сельскохозяйственное использование осушаемых земель	Расчетные расходы	Уровни пропуска Расчетных расходов	Обеспеченность,%
Полевые севообороты с озимыми культурами (вне поймы)	Весеннего половодья	В бровках
	Летне – осеннего паводка	С запасом от бровок 0,3 м
Полевые севообороты без озимых культур	Предпосевной	С запасом от бровок 0,6 м
Пастбища	Летне – осеннего паводка	С запасом от бровок 0,3 м
Сенокосы	Летне – осеннего паводка	В бровках
Овощные севообороты	Предпосевной	С запасом от бровок 0,8 м
	Летне – осеннего паводка	С запасом от бровок 0,5м
Сады	Весеннего половодья	В бровках
	Летне – осеннего паводка	С запасом от бровок 0,5м
Для всех видов использования земель	Среднемеженный (бытовой)	Обеспечение бесподпорной работы впадающей сети
Поймы	То же	То же	30…40

 

А – площадь водосбора для соответствующего расчетного створа, км².

Максимальный модуль стока весеннего половодья для водосборов

Пощадью от 1 до 20000 км² для европейской и до 50000 км² для азиатской территории России, при отсутствии данных наблюдений рекомендуется определять по формуле:

 

 

g^{ax вес}_p%[К₀hp_%Mp_% бб₁б₂/ (А+А₁ⁿ¹)], (2)

 

где g^{ax вес}_p% - расчетный максимальный модуль стока весеннего половодья

обеспеченности Р_%, м³/с с км²;

А – площадь водосбора до расчетного створа, км²

А₁ – дополнительная площадь водосбора, учитывающая снижение редукции, км², принимается по рекомендуемому приложению 2;

К₀ – параметр, характеризующий дружность весеннего половодья, принимается по приложению 1;

n_{1 -} показатель степени редукции, принимается по рекомендуемому приложению 2;

h_p% - расчетный слой суммарного весеннего стока (без срезки грунтового питания), мм, ежегодной вероятности превышения Р_%, определяется в зависимости от коэффициента вариации С_v и отношения С_s/С_v этой величины, а также среднего многолетнего слоя стока

h₀, устанавливаемого по рекам – аналогам или интерполяцией (приложение 1);

М_p% - коэффициент, учитывающий неравенство статистических параметров слоя стока и максимальных расходов воды, принимается про рекомендуемому приложению 3;

б - коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода воды рек, зарегулированных озерами (б₁) и водохранилищами (б₁), находится по формуле 6;

б₁ - коэффициент, учитывающий снижение максимальных расходов воды.

в залесенных бассейнах (формула 7);

б₂ - коэффициент, учитывающий снижение максимальных расходов воды.

в заболоченных бассейнах (формула 8).

 

 

Расчетный слой суммарного весеннего стока hp% определяется в зависимости от среднемноголетнего слоя стока h0, коэффициента вариации слоя стока Сv и коэффициента Сs.

Величины h₀ и С_s принимаются по рекам – аналогам или интерполяцией. Их значения для районов Западной Сибири приведены в приложении 1 [5].

Приведены в приложении 1 значения коэффициента вариации Сs действительны при площади водосбора более 200 км2.

Для бассейнов с площадями менее 200 км² к значениям С_s водится поправочный коэффициент, учитывающий повышение коэффициента вариации на малых бассейнах. Значения этого коэффициента приведены в рекомендуемом приложении 4.

 

 

С_V = С_{V *} К _СV ,

 

К приведенным в приложении 1 значениям среднего многолетнего слоя весеннего стока также вводится поправка, зависящая от площади водосбора и величины слоя весеннего стока (рекомендуемое приложение 5).

 

h^¹₀ = h₀ * К_h0, (4)

 

Для перехода от исправленного среднего многолетнего слоя весеннего стока h₀ 50% обеспеченности к слою весеннего стока расчетной обеспеченности Р% вводится модульный коэффициент перехода К_р%, величина которого зависит от Р%, С^¹_v и величины с Сs. Значения модульных коэффициентов приведены в приложении 7. Для условий Западной Сибири величина Сs = 2, С^¹_v, за искючением северных районов.

Тюменской и Томской областей, где в формировании максимального стока половодья в значительной мере участвуют дождевые осадки. В этом случае

Сs/ С^¹_v = 3. Однако при значениях С_V от 0,1 до 0,5 значения модульным коэффициентов К_Р% при:

 

Р% = 10% в обоих случаях практически одинаковы.

В итоге зависимость для определения h_Р% будет иметь вид:

 

h_Р% = γ * К_Р% h^¹₀ ,

 

где: γ – коэффициент, учитывающий слияние озерности на средний

многолетний слой стока весеннего половодья;

К_Р% - модульный коэффициент (приложение 7).

В зависимости от средневзвешенной озерности бассейна

(А ₀₃,%) величина γ; равна:

 

А₀₃, % γ

0… 2,8 0,9…0,8

2,9…6,4 0,8…0,6

более 6,4 0,6

 

Коэффициент б, учитывающий снижение максимального стока рек, зарегулированных проточными озерами, следует определять по формуле:

 

б =1/ (1 + С А₀₃),(6)

 

где: С – коэффициент, принимаемый в зависимости от величины

среднего многолетнего слоя весеннего стока

по рекомендуемого приложению 8.

Коэффициент б1, учитывающий снижение максимальных расходов воды в залесенных бассейнах, определяется по формуле:

 

б₁ = α₁ / (А_Л + 1)ⁿ², (7)

 

где: ⁿ² – коэффициент редукции, принимаемый по рекомендуемому

приложению 6;

А_Л – заселенность водосбора,%;

α_{1 –} параметр, принимаемый по рекомендуемому приложению 6.

 

При заселенности менее 3% или при проточной озерности более 20% коэффициент б₁ принимается равным единицы. Коэффициент б₂, учитывающий снижение максимального расхода воды заболоченных бассейнов, определяется по формуле:

 

б₂ =1- β lq (0.1 Аб +1), (8)

 

где: β – коэффициент принимаемый по рекомендуемому приложению 9;

Аб – относительная площадь болот и заболоченных лесов и лугов в

бассейне, %.

 

При наличии внутриболотных озер, рассредоточенных по бассейну и

Расположенных вне главного русла и основных притоков

 

(Западная Сибирь, зона тундры, северо – запад европейской части России), внутриболотные озера следует включать в величину относительной площади болот.

 

При заболоченности менее 3% или проточной относительной озерности более 20% коэффициент б₂ принимается равным единице.

Расчетный модуль стока предпосевного периода соответствует времени начала весенних полевых работ и совпадает с периодом спада весеннего половодья. Он определяется по зависимости [2]:

 

 

g _п.п = К* g^{mаx вес} (9)

 

где: g _п.п – модуль расчетного предпосевного расхода, м³/с см км²;

К – коэффициент редукции (уменьшения) максимального модуля

стока весеннего половодья.

 

Для водосборов с холмистым рельефом и преобладанием глинистых слабозаболоченных почв.

 

К = - 0,40. (10)

 

Для водосборов с пологими склонами с преобладанием песчаных и супесчано –болотных заболоченных почв.

 

К = - 1,64 (11)

 

где: Т – допустимая продолжительность весеннего затопления

осушаемой территории, сут, принимается в соответствии с

режимом осушения.

При отсутствии гидрологических наблюдений расчетный предпосевной сток

можно определять по формуле А.И. Ивицкого [3]:

 

g _{п.п = [ 2 hn (1 - ) + hо]} (12)

 

где: g _{п.п –} модуль предпосевного стока, л/с с км²;

hn. _- поверхностный сток половодья, определяется по карте

стока половодья (h_n  h_о^¹), мм;

 

h_о – подземный сток за период половодья, мм; определяется

по формуле:

 

 

h_о = 0,16 h_n + 6;

 

t_n – продолжительность подъема весеннего половодья, сут, определяется по формуле:

 

t_n = α t _c + AF^m / ;

 

где: t _с – расчетная продолжительность снеготаяния, сут, определяется по

формуле:

 

 

t_c =2 +^1/3

A_l – лесистость водосбора, %;

α = 1/3;

F = площадь водосбора, км²;

m = ¼ - для водосбора площадью от 100 до 20000 км².

m = 1/5 – для водосборов площадью более 20000 км²

А = 1,22;

I = - уклон водотока, %;

- соотношение между продолжительностями спада и подъема половодья

определяемое по табл. 2;

τ – время от пика половодья до наступления предпосевного стока, сут;

К = 0,8 для выпуклых и К = 1,35 для вогнутых кривых спада половодья.

 

Таблица 2

Основные характеристики половодья [3]

Аб +Ал,%	Значение
Предельное	Среднее
	1,20-2,10	1,65
	1,68-2,80	2,20
	1,88-3,40	2,64
	2,12-3,86	3,00
	2,36-4,20	3,28
	2,72-4,85	3,78
	3,05-5,35	4,20
	3,20-5,50	4,40

Максимальные мгновенные модули стока дождевых летне-осенних паводков при отсутствии рек – аналогов следует определять по редукционной формуле (СНиП 2.01.14-83, с. 11, формула 46).

 

 

g = g₂₀₀ (200/А)ⁿ³ бб₂б₃ (13)

 

либо по формуле предельной интенсивности стока (СНиП 2.01.14-83, с. 11,

формула 48):

 

g = g _1% φ Н`^б*λ_{Р% (14)}

 

Выбор формулы осуществляется в соответствии с рекомендуемым приложением 10.

В формулах (13), (14):

g₂₀₀ – модуль максимального мгновенного расхода воды ежегодной

вероятности превышения Р = 1% при б = б₂ = б₃ =1,

приведенный к площади водосбора, равной 200 км²; определяется по

приложению 1;

λ_Р% - переходный коэффициент от максимальных мгновенных расходов

воды ежегодной вероятности превышения; принимается по

рекомендуемому приложению 11;

б – коэффициент, учитывающий снижение максимального стока рек,

зарегулированных проточными озерами, следует определять по

формуле (6);

б₂ – коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода

воды заболоченных бассейнов, следует определять по формуле (8);

б₃ - коэффициент, учитывающий изменение параметра g₂₀₀ с изменением

средней высоты водосбора в горных районах, для Западной Сибири б₃=1;

g_1% - максимальный модуль стока ежегодной вероятности превышения

Р = %, выраженный в долях от произведения φН^' _1% при б =1, определяется

по рекомендуемому приложению 12 в зависимости от гидроморфометрической характеристики русла руки Ф_р, продолжительности склонового

добегания τ _ск, мин, и района;

 

 

τ _ск - продолжительность склонового добегания, мин, в первом приближении

принимается для водостоков, расположенных в лесной и тундровой

зонах, с заболоченностью менее 20% - 60, от 20 до 40% - 100,

более 40% - 150; в лесостепной зоне – 60; в степной зоне и

засушливых степях -30; в полупустынной зоне – 30, в горных

районах – 10 мин;

Н^' _1% - максимальный суточный сток осадков с вероятностью превышения

Р = 1%, определяется по приложению 1;

φ – сборный коэффициент стока.

Гидроморфометрические характеристика русла исследуемой реки

определяется по формуле (СНип 2.01.14 – 83, с11, формула 49).

 

Ф_р = 1000L/ Н_рiр ^н А^1/4 (φ Н_1%)^1/4 , (15)

 

где: Н_р – гидравлический параметр русла, принимается по рекомендуемому

приложению 13;

Н – параметр, определяется по рекомендуемому приложению 13;

Ip – средневзвешенный уклон русла реки, %;

L – расстояние от наиболее отдаленной точки водосбора до реки, км

(L ~ 20…40 км);

А – площадь водосбора, км².

Сборный коэффициент стока φ при условии равнинных водосборов и отсутствии данных аналогов определяется по формуле

(СНиП 2.01.14-83, с. 11, формула 54)

 

 

φ = [С₂ φ_о/ (А +1)^п6] (i_В/ 50)^п5, (16)

 

где: С₂ - эмпирический коэффициент, принимается для лесной и тундровой

зон равным 1,2, для остальных природных зон 1,3

φ – сборный коэффициент стока для водосбора площадью, равной 10 км²

со средним уклоном водосбора L_B = 30%_о ,

п₅ – принимается по приложению [4];

п₆ - принимается для лесотундры и лесной зоны равным 0,07,

для остальных природных зон – 0,11.

Бытовые расходы является расходами наибольшей повторяемости в течении

Периода сельскохозяйственных работ. Бытовой сток формируется в основном за счет поступления а каналы грунтовых вод. Модуль бытового стока независимо от площади водосбора изменяется в пределах 0,002…0,005 м³ с км².

Результаты гидрологических расчетов каналов оградительной и проводящей сети сводятся в табл. 3.

Таблица 3

 

Расчетные расходы воды по створам, м³/с

 

Канал, створ, пикет	А км2	Модуль стока, м3//с с км2	Расход, м3/с
			Основной расчетный	поверочный	бытовой	Основной расчетный	поверочный	бытовой

 

Гидрологический расчет закрытого коллектора сводится к определению расхода воды, поступающей в коллектор из дрен или закрытых собирателей. Режим притока определяется типом водного питания, фильтрационными характеристиками осушаемых почвогрунтов и параметрами закрытой регулирующей сети.

Расчетный расход в коллекторе определяется по формуле:

 

Q = g_К * А, (17)

 

где: g_К – расчетный модуль дренажного стока, л/с с га;

А – площадь водосбора в расчетном сечении коллектора, га.

При грунтовом типе водного питания, модуль дренажного стока получается расчетным путем при определении расстояний между дренами (СНиП 2. 06.03 – 85, приложение 21, с. 56 формулы 7,8).

Если такие расчеты не проводились, его величину ориентировочно можно принять по табл.4.

 

Таблица 4

 

Модуль дренажного стока, л/с с га [2,3]

 

Минеральные почвы	Модуль дренажного стока	Торфяники со степенью разложения	Модуль дренажного стока
Тяжелые	0,3…0,4	Слабой	0,5…0,6
Средние	0,5…0,6	Средней	0,4…0,5
Легкие	0,6…0,7	Хорошей	0,3…0,4

 

При поступление поверхностных вод,из колодцев – поглотителей расход воды при расчете закрытого коллектора определяют по формуле:

 

Q_К = g_К * А_К + Σⁿ_i=1 g_n F_n. (18)

 

где: g_n – расчетный модуль поверхностных вод, л/с с га;

F_n - площадь водосбора поверхностных вод, обслуживаемая

колодцами – поглотителями, га;

 

_______________________________

 

2. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ЭЛЕМЕНТОВ ОСУШИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

 

Параметры поперечных сечений осушительных каналов и закрытых коллекторов должны быть рассчитаны из условия обеспечения равномерного движения воды.

Гидравлический расчет каналов следует проводить при расходах воды более 0,5 м³ /с, а такие при меньших расходах,когда уклон дна канала превышает 0,0005 для песчаных, 0,0005 для песчаных 0,003 для суглинистых и 0,005 для глинистых грунтов.

Гидравлический расчет каналов, следует выполнять по формулам равномерного движения воды, для следующих створов: устье канала; выше впадения каждого гидравлически рассчитываемого канала; при переломе уклонов (для обоих уклонов); на участках с постоянными уклонами площади водосбора более чем на 20; при изменении грунтовых условий на трассе канала [8].

Уклон поверхности воды в каналах при пропуске максимального расчетного расхода должен быть близким к уклону местности.

Под расчетным расходом понимается такой расход, на пропуск которого определяется параметры сечения каналов(ширина по дну для трапецеидального сечения или по урезу воды для параболического сечения, глубина наполнения канала и скорость движения воды).

Особенностью гидравлического расчета каналов осушительной системы является необходимость проверки подобного сечения на пропуск бытового расхода из условий незаиляемости русла и вертикального сопряжения элементов осушительной сети.

Для расчета каналов необходимы следующие основные данные:

 

Q – расчетные поверочные расходы, м³/ с (устанавливают на основании гидрологических расчетов;

J – уклон дна каналов (определяют на расчетном участке по продольному профилю канала в соответствии с топографическими и инженерно – геологическими условиями);

Н – глубина русла канала, м (устанавливают, исходя из характера сельскохозяйственного использования земель и требований сопряжения сети в вертикальной плоскости);.

m – коэффициент заложения откосов (находят по приложению 15);η

η – коэффициент шероховатости (принимают по данным изысканий по

каналам – аналогам или по приложениям 16,17);

физические и физико – механические характеристики грунтов определяют по данным изысканий трасс, каналов, лабораторных и полевых изысканий.

 

Таблица 5

Выбор форм поперечного сечения каналов [3]

 

Грунты	Q, м3/с	Н, м	Поперечное сечение
Пески и супеси любого гранулометрического состава, торф со степенью разложения ≥ 50%		2,5	Трапеция
Связные грунты (глины, суглинки, торф со степенью разложения < 50%), песчаные грунты с наличием крупнозернистой фракции d ≥ 1…2 мм не менее 15% от массы.		3,5	Трапеция
Песчаные мелкозернистые и среднезернистые грунты, в которых фракция d ≥ 1…2 мл в количестве 15% не содержится, торф со степенью разложения ≥ 50%	10…25	2,0	Трапеция
Те же	10…25	2,0	Трапеция
Песчаные (с наличием крупнозернистой фракции) и глинистые грунты, торф со степенью разложения < 50%	10…25	3,5	Сложносоставленные (с берной)
Песчаные и супесчаные грунты, торф со степенью разложения ≥ 50%, легкие суглинки		2,0	Парабола с данной вставкой.
Глины, средние и тяжелые суглинки, торф со степенью разложения < 50%		2,0	Парабола или косинусоида
Слоистые грунты (торф, глины, суглинки, подстилаемые среднезернистые и крупнозернистыми песками, супесями)		1,5	Полигональное
Слоистые грунты (торф, глины, суглинки, подстилаемые мелкозернистыми и пылеватыми песками).		1,5	Комбинированное (нижняя часть на 0,2 м выше залегания неустойчивых грунтов –парабола, верхняя трапеция).

 

Пропускную способность русл проводящих каналов рассчитывают по формулам равномерного движения воды [4,6].

 

 

U = C RJ. (19)

 

Q = С RJ, (20)

 

где: U – средняя скорость потока, м/с;

R – гидравлический радиус, м; R = / ;

- смоченный периметр живого сечения, м;

J – гидравлический уклон, при равномерном движении жидкости

равен уклону дна русла;

- площадь живого сечения, м²;

С – скоростной коэффициент, м^0,5 /с.

 

Скоростной коэффициент вычисляют по формуле Н.Н. Павлвского (при R= 0,1…5,0 м и η = 0,011… 0,04).

 

С = R^У, (21)

 

где: У = 2,5 ().

 

При гидравлическом расчете канала следует стремиться проектировать русловое сечение гидравлически наивыгоднейшего профиля, который характеризуется максимально возможной средней скоростью U, а следовательно, и минимальной площадью живого сечения.

При трапецеидальном сечении для гидравлически наивыгоднейшего профиля должно соблюдаться следующие соотношение между шириной канала по дну (в) и глубиной (h) [3].

 

β _Г.Н. =(^в / h)_Г.Н. = 2 ( ²- ), (22)

при параболическом или эллиптическом сечении –соответственно [1];

 

В = 2,06 Н, (23)

 

В = 2Н (24)

 

где: В- ширина канала по верху;

Н – строительная глубина канала.

 

 

При гидравлических расчетах трапецеидальных каналов можно использовать номограммы (рис. 1 и 2, см. соответственно левый и правый форзац), по которым можно подобрать параметры русла гидравлически наивыгоднейшего или близкого к нему профиля.

Таблица 6

Формулы для расчета каналов криволинейного сечения [1].

 

Расчетные параметры	Параболические сечения	Эллиптические сечния
Площадь поперечного сечения при строительной глубине канала (Н) и ширине по верху (В)	ω = 0,667 βН	ω = 0,785βН (25)
Смоченный периметр при площади сечения потока, равной ω	= α *β где: α = 0,937+0,909/	= α *β (26) где: α = 0,951+1,05 / (27)
Расход воды при работе канала - полном сечением (формула Бахматьева- Форхгеймера)	Q= *ω*R0,7 ()	Q= *ω*R0,7 () (28)
Ширина по урезу воды при работе канала неполным сечением (глубина воды h)	В=β*В где: β =0,085+1,682 - 0,802 ()2	В=β*В (29) где: β=0,132+2,228 - 1,415 ()2 (30)
Коэффициент откоса стенки канала у уреза воды при наполнении h	m=	m =
Площадь живого сечения потока при глубине воды в канале.	ωж = *ω где: = 0,387 2- 0,0138	ωж = *ω (32) где: = 0,574 2- 0,01818 (33)
Расход воды, проходящей по каналу при глубине воды в канале h	Q*h=б*Q где: б = 0,095 – 0,1895 () + 1,1775 ()2 В = 2,06 Н	Q*h=б*Q (34) б = 1,0268 ()2 – 0,0186 () – 0,00325, В = 2 Н

 

Рис. 2

Номограмма для гидравлического расчета трапецеидальных каналов с коэффициентом заложения откосов m = 2.0

 

 

Пример: Дано Q = 10 м³/с;

J = 0,0005;

m = 2,0;

n = 0,03;

h = 2,0 м;

Определить: в, υ.

 

Прикладываем линейку на правой горизонтальной шкале к точке, соответствующей 10 м³/с (рис.2), и проводим вертикальную линию до пересечения с горизонтальной линией, соответствующей склону J = 0,0005. От полученной таким образом точки пересечения с линией коэффициента шероховатости n = 0,03 и получаем точку 2, от которой проводим горизонтальную линию вправо и влево. Пересечение правой части горизонтальной линии с вертикальной линией расхода Q = 10 м³/с (точка 3) дает максимально возможную среднюю скорость V_mах = 0,8 м/с, т.е. скорость в гидравлически наивыгоднейшем сечении. Левую часть горизонтальной линии ведем до наклонной линии υ = υ _mах (точка4), затем поворачиваем параллельно наклонным кривым до пересечения с горизонтальной линией принятой глубины наполнения канала h = 2,0 м (точка 5) и, опуская перпендикуляр из точки пересечения 5 на горизонтальную левую шкалу, находим искомую ширину канала по дну в =2,2 м. Линия, проведенная через точку пересечения найденных h и (в точку 5) параллельно линии V =V_mах,показывает (по интерполяции) коэффициент, на который нужно умножить V_mах, чтобы получить действительную среднюю скорость υ потока воды в канале. В нашем случае υ = 0,99 * υ_mах = 0,99*0,8 = 0,792 м/с. Окончательные размеры русла выбирают с учетом требуемого запаса превышения бровок канала над расчетным уровнем воды, осадки торфа и привязывают к существующим к типоразмерам поперечных сечений каналов.

Для гидравлических расчетов можно применять программируемые микрокалькуляторы (ПМК). Программа для расчетов приведена в приложении 18.