CC BY
40
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 4 (40), 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА:
НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
10. The automatic control system performance vacuum pump milking plant [Text] : pat. 79376 Russian Federation A01J7/00 / Boroznin У.А., Boroznin А.У., Bobilev Y.V.; applicants and patent holders: Boroznin У.А., Boroznin А.У., Bobilev Y.V. - №2008133252; statement 14.08.08; published
10.01.2009, bull.№1.
E-mail: [email protected].
УДК 631.6.02.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОДНОГО ПОТОКА НА СКЛОНОВОМ АГРОЛАНДШАФТЕ
ENERGY APPROACH FOR THE CONSTRUCTION OF HYDRODYNAMIC CHARACTERISTICS OF WATER FLOW ON SLOPING AGRICULTURAL LANDSCAPE
С.А. Васильев, кандидат технических наук, доцент S.A. Vasilev
Чувашская государственная сельскохозяйственная академия, г. Чебоксары Chuvash state agricultural Academy
Для изучения вопроса о движении водного потока по подстилающей поверхности предлагается использовать энергетический подход. При рассмотрении движения водного потока на склоне, разработана математическая модель в виде баланса действительного уклона и суммы уклонов гидравлических потерь при движении водного потока по стокоформирующей поверхности. Для решения полученного выражения предложена гидродинамическая характеристика водного потока на склоновом агроландшафте - зависимость изменения уклонов гидравлических потерь на стокоформирующей поверхности от скорости движения водного потока. Определен круг задач, которые можно решать с помощью уравнения баланса уклонов водного потока: анализ возможности движения водного потока на тех или иных подстилающих поверхностях, определение и анализ параметров потока при ускорении, торможении или при равномерном его движении и другие. Выражение также можно использовать в решении обратных задач, например определение коэффициента гидравлической шероховатости, потенциала эрозионной стойкости и других параметров стокоформирующей поверхности. Теоретические предпосылки по обоснованию уравнения баланса уклонов подтверждены лабораторными исследованиями. Представлены результаты экспериментальных исследований в виде гидродинамической характеристики водного потока, при проводении анализа которого определено условие баланса уклонов для равномерного режима движения водного потока при скорости равной 0,16 м/с. Применение гидродинамической характеристики позволит решить целый ряд задач по управлению водным потоком на склоновых агроландшафтах при проектировании и оценке противоэрозионных мероприятий.
To examine the movement of water flow by the underlying surface is proposed to use the energy approach. Considering the movement of the water flow on the slope, the mathematical model for the balance of the actual slope and amount of slope of hydraulic losses in the movement of the water flow on the surface stationery. The resulting expression proposed hydrodynamic characteristics of water flow on sloping agricultural landscape is the dependence of slope on hydraulic losses stockfarmers the surface velocity of the water flow. Defined the range of problems that can be solved by using the balance equation for the slope of the water flow: analyzing the possibility of movement of water flow on different underlying surfaces, the definition and analysis of the flow settings during acceleration, braking or in uniform motion, and others. The expression can also be used in solving inverse problems, such as determining the coefficient of hydraulic roughness, capacity, erosion resistance and other parameters stockfarmers surface. The theoretical background for the justification of the balance equation of the slope confirmed in vitro. Presents the results of experimental studies in the form of
194
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 4 (40), 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА:
НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
hydrodynamic characteristics of water flow. Conducting the analysis which determined the balance of slopes for uniform driving mode of water flow at a speed equal to 0.16 m/s. Application of hydrodynamic characteristics will allow you to solve a number of challenges in managing the water flow on sloping landscapes in the design and evaluation of erosion control measures.
Ключевые слова: энергетический подход, гидродинамическая характеристика, водный поток, склоновые агроландшафты, уклоны гидравлических потерь, коэффициент гидравлической шероховатости.
Keywords: energy approach, hydrodynamic characteristics, water flow, slope agrolandscapes, slope, hydraulic losses, ratio, low gas consumpti-UNThydraulic roughness.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 13-05-97048-р_поволжье_а)
Введение. При формировании гидрологического режима рек на большей части территории страны определяющую роль играет поверхностный склоновый сток, устанавливающий тесную взаимосвязь склонового агроландшафта и малой реки, особенно в период выпадения атмосферных осадков. Склоновый агроландшафт представляет собой природно-территориальный комплекс, естественная растительность которого на подавляющей его части заменена агроценозами [8]. Изучение механизма взаимодействия водного потока с подстилающей поверхностью склоновых земель, позволит успешно защищать почвы склоновых агроландшафтов от смыва. В нашей стране и за рубежом разработано множество теорий русловых процессов [1, 2], однако не все из них соответствуют реальному процессу. Одним из таких параметров является шероховатость поверхности почвы, которая представляет собой множество микровариаций неровностей, образованных в результате ряда причин, и которая также определяет потенциал для удержания почвенных частиц и может быть использована для прогнозирования водной и ветровой эрозии [4, 7].
Материалы и методы. При рассмотрении движения водного потока на склоне можно выявить основные закономерности, связывающие параметры потока и подстилающей поверхности, обусловленные воздействием на водный поток движущих сил и сил сопротивления движению.
Воздействие этих сил, которые обеспечивают ускорение или торможение водного потока с учетом скорости потока, можно представить в виде мощностного баланса. Мощностной баланс определяется затратами энергии потока на преодоление внешних и внутренних сопротивлений потоку по времени.
Результаты. С некоторым приближением без учета инфильтрации влаги в почву, вследствие продолжительности процесса, запишем уравнение мощностного баланса в общем случае:
РсУ + Pwv + Pvv + Psv + Prv + Pjv = ^ (1)
где Ра - составляющая силы тяжести элементарного объема водного потока, Н; Р^ - сила сопротивления размыву подстилающей поверхности склона водным потоком, Н; Р^ - сила сопротивления движению водного потока, обусловленная шероховатостью подстилающей поверхности склона, Н; Ps - сила сопротивления движению потока растительных элементов, Н; Р7 - сила сопротивления движению потока, обусловленная влиянием волнистости подстилающей поверхности склона, Н; Рj - сила сопротивления инерции потока, Н; v - скорость движения элементарного объема водного потока, м/с.
195
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 4 (40), 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА:
НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Спроецируем уравнение (1) на ось вдоль склона с учетом скалярного произведения векторов сил и скорости потока
Pav cos0° + Pyv cos!80° + P^v cos!80° + Psv cos180° + Pyv cos!80° + PjV cos180° = 0, (2)
или
Na = Nw + N + Ns + Ny + Nj
(3)
где Na - мощность водного потока, Дж/с; Ny - потери мощности водного потока на размыв подстилающей поверхности склона, Дж/с; N^ - потери мощности водного потока на преодоление силы сопротивления шероховатости подстилающей поверхности склона, Дж/с; Ns - потери мощности водного потока на преодоление силы сопротивления растительных элементов на поверхности склона, Дж/с; Ny - потери мощности водного потока, обусловленные влиянием волнистости подстилающей поверхности склона, Дж/с; Nj - потери мощности водного потока, обусловленные влиянием инерции потока, Дж/с.
Выражение (3) является уравнением мощностного баланса водного потока, движущегося по подстилающей поверхности склона. Распишем каждую составляющую, входящую в это уравнение.
Для сравнения потоков, движущихся по разным подстилающим поверхностям склона и выявления резервов энергии водного потока, которые могут, например ускорить поток или размыть микрорусло, уравнение мощностного баланса водного потока приведем к безразмерной форме, разделив все его составляющие на произведение веса и скорости потока:
Na _ Nу
+ -
Nm Ns Ny N
■ + -
y +- j
G • v G • v G • v G • v G • v G • v
(4)
где G - вес потока, Н.
Соотношение мощности потока и произведения веса на скорость потока можно представить в виде:
Na = P-i •Q •1 = P-i •w •1 = i (5)
G • v m • v m
где p - плотность водного потока, кг/м3; i - уклон подстилающей поверхности склона; Q - расход водного потока, м3/с; I - длина рассматриваемого участка водного потока, м; m - масса водного потока расположенного на рассматриваемом участке, кг; w - площадь поперечного сечения водного потока, м2.
Соотношение потерь мощности водного потока на размыв или на разрушение и вынос частиц почвы подстилающей поверхности склона и произведения веса на скорость потока можно представить в виде:
Nw G • v
= - v2 У
= i„
(6)
где у - потенциал эрозионной стойкости почвы, Дж/кг [10]; iw - уклон гидравлических потерь на размыв подстилающей поверхности склона.
Соотношение потерь мощности водного потока на преодоление силы сопротивления шероховатости подстилающей поверхности склона и произведения веса на скорость потока можно представить в виде:
196
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 4 (40) 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
_К_
G ■ v
(1 + <Р)
К ■ v3
2
р-%■1 _ (i + д>)
m ■ g 2
К.
B
3
v
б ■ g
(1+<р) 2q ■ g
К
v3 _ i
(7)
где ф - коэффициент гидравлической шероховатости; Хгл — коэффициент сопротивления гладкой поверхности; % - смоченный периметр, м; q=Q/B - единичный расход водного потока, м2/с; /ф -уклон гидравлических потерь на трение.
Соотношение потерь мощности водного потока на преодоление силы сопротивления растительных элементов на поверхности склона и произведения веса на скорость потока можно определить по выражению:
N_ _ pv3 _ _ .
Gv 252mg 25 2Q
(8)
где S - комплексная гидродинамическая характеристика растительного слоя [1]; iS - уклон гидравлических потерь на преодоление растительных элементов.
Соотношение потерь мощности водного потока, обусловленное влиянием волнистости подстилающей поверхности склона и произведения веса на скорость потока, можно представить в виде:
Nl _ууЪрх1 _ nvL _ i (9)
Gv mg qg 7,
где у - коэффициент гидродинамического сопротивления волнистости поверхность или дискретного препятствия; iY - уклон гидравлических потерь на преодоление волнистости поверхности.
Соотношение составляющей потерь мощности потока, обусловленной влиянием инерции потока и произведения веса на скорость потока можно представить в виде:
_ j _ i,
(10)
N
2 Gv g j
где j - ускорение водного потока, м/с2; ij - уклон гидравлических потерь на преодоление инерции потока.
Подставим полученные соотношения (5)...(10) в уравнение (4) получим следующее выражение:
i _^КУ +2vJ ^vL+7v3 + j, (11)
2qg 31 W 25 Q qg g У J
или в упрощенной безразмерной форме:
i — i +i +/„ + i + i .
<Р W 5 7 j
(12)
Выражение (12) показывает баланс действительного уклона и суммы уклонов гидравлических потерь при движении водного потока по стокоформирующей поверхности.
Графическое изображение зависимости изменения уклонов гидравлических потерь водного потока от скорости его движения будем называть гидродинамической характеристикой водного потока (рисунок 1).
Обсуждение. С помощью уравнения баланса уклонов водного потока можно решать следующие основные задачи: анализ возможности движения водного потока на тех или иных подстилающих поверхностях, определение и анализ параметров потока при ускорении, торможении или при равномерном его движении и другие. Этот круг
197
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 4 (40), 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА:
НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
задач возможно выполнить, если известны зависимости составляющих баланса уклонов с параметрами потока и подстилающей поверхностью. Также возможно использовать данное выражение в решении обратных задач, например определение коэффициента гидравлической шероховатости, потенциала эрозионной стойкости и других параметров стокоформирующей поверхности.
С целью проверки полученного выражения (12) и построения предложенной гидродинамической характеристики водного потока проведены исследования в Лаборатории гидрофизики и эрозии почв при ФГБОУ ВПО ЧГСХА. Была разработана и изготовлена экспериментальная установка [9, 10].
Предварительно исследуемая шероховатая поверхность оклеивалась песком определенной фракции с помощью полимерного клея в лабораторных условиях. Применив ситовый анализ по геометрическим размерам, получены заданные фракции песка из частиц выделенного диапазона крупности [3, 6]. Учитывая наиболее распространенные типы почв, присутствующих в Чувашской Республике, подбирались размеры фракций песка, которые соответствовали бы размерам водопрочных агрегатов [5].
В процессе проведения исследований, согласно методике, определялась высота потока воды до и после протекания исследуемой шероховатой поверхности трения. Полученные зависимости Q = f (h) при i = const и i = f (h) при Q = const позволили установить логарифмическую связь при ламинарном и переходной области турбулентном режимах.
Гидродинамическая характеристика водного потока, полученная по экспериментальным данным для уклона дна лотка i = 0,12, представлена на рисунке 2. Скорости потока воды составили V = 0,2...0,8 м/с (для несвязных грунтов допустимая неразмывающая скорость Vdon = 0,2...0,4 м/с [6]), а число Рейнольдса соответственно Re = 300.1500 [2].
198
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 4 (40), 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА:
НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Как видно из полученного графика соблюдение условия (12) будет происходить при скорости водного потока, равного 0,16 м/с, т.е. установится равномерный режим движения. После проведения анализа полученной гидродинамической характеристики водного потока (рисунок 2) установлено, что большая часть исследований проводилась в режиме замедления водного потока, поскольку сначала создавались условия с повышенной кинетической составляющей энергией потока, а после преодоления шероховатого участка скорость потока снижалась.
Рисунок 2 - Г идродинамическая характеристика водного потока при движении по шероховатой поверхности
Заключение. Предлагается новое понятие «гидродинамическая характеристика водного потока», которое характеризует зависимость изменения уклонов гидравлических потерь водного потока на стокоформирующей поверхности от скорости его движения. Обосновываются, используя энергетический подход, основные гидравлические потери водного потока при взаимодействии со стокоформирующей поверхностью склоновых земель. Применение гидродинамической характеристики позволит решить целый ряд задач по управлению водным потоком на склоновых агроландшафтах при проектировании и оценке противоэрозионных мероприятий.
Библиографический список
1. Боровков, В.С. Русловые процессы и динамика речных потоков на урбанизированных территориях [Текст]/ В.С. Боровков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 285 с.
2. Будник, С.В. Оценка режима склоновых водотоков при ливнях [Текст]/ С.В. Будник // Почвоведение. - 2003. - № 6. - С. 740-744.
3. Васильев, С.А. Безразмерный показатель для оценки гидравлических потерь на трение в руслах разной шероховатости [Текст]/ С.А. Васильев, И.И. Максимов, В.И. Максимов // Мелиорация и водное хозяйство. - 2011. - Выпуск №5. - С. 40-42.
4. Васильев, С.А. Теоретические предпосылки аналитического определения смоченного периметра стокоформирующей поверхности [Текст]/ С.А. Васильев, А.Ю. Пагунов // Вестник Чувашского государственного педагогического университета имени И.Я. Яковлева. Серия «Естественные и технические науки».- 2012. - № 4 (76). - С. 47-50.
199
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 4 (40), 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА:
НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
5. Васильев, С.А. Результаты экспериментальных исследований гидрофизических и эрозионных свойств почв на территории СХПК «Труд» Батыревского района Чувашской Республики [Текст]/ С.А. Васильев, И.И. Максимов, Е.П. Алексеев [и др.] // Вестник Чувашского государственного педагогического университета имени И.Я. Яковлева. - 2013. - Вып. 4(80), Ч.
2. - С. 39-45.
6. Васильев, С.А. Гидравлическая шероховатость склоновых агроландшафтов [Текст]/
С.А. Васильев, И.И. Максимов, В.И. Максимов // Чебоксары: «Новое Время», 2014. - 210 с. -ISBN 978-5-4246-0257-3.
7. Васильев, С.А. Определение эквивалентной шероховатости стокоформирующей поверхности для оценки противоэрозионных мероприятий на склоновых землях [Текст]/ С.А. Васильев, И.И. Максимов, В.В. Алексеев //Мелиорация и водное хозяйство. - 2014. - Выпуск №4. - С. 31-34.
8. Максимов, И.И. Прогноз эрозионных процессов, техника и технология для обработки склоновых земель [Текст] : дисс. докт. техн. наук./ И.И. Максимов. - Чебоксары, 1996. - 325 с.
9. Способ определения смоченного периметра для русла с шероховатой поверхностью [Текст] : патент 2292034 РФ. / И.И. Максимов, С.А. Васильев, В.И. Максимов. - Опубл.
20.01.2007, Бюл. № 2.
10. Способ определения гидравлических потерь на трение [Текст] : Патент 2292539 РФ. / И.И. Максимов, С.А. Васильев, В.И. Максимов. - Опубл. 27.01.2007, Бюл. № 3.
Literature list:
1. Borovkov, V.S. Channel processes and dynamics of river flows in urban areas [Text]/ V.S. Borovkov. - L.: Gidrometeoizdat, 1989. - 285 p.
2. Budnik, S.V. The evaluation of the slope in the watercourses showers [Text]/ S.V. Budnik // Pedology. - 2003. - №6. - P. 740-744.
3. Vasilev, SA. The dimensionless parameter for evaluating the hydraulic friction losses in the beds of varying roughness [Text]/ SA. Vasilev, I.I. Maksimov, V.I. Maksimov // Irrigation and Water Management. - 2011. - № 5. - P. 40-42.
4. Vasilev, SA. Theoretical background of the analytical determination of the wetted perimeter of the flow is formed surface [Text]/ SA. Vasilev, АА. Pagunov // Messenger of the Chuvash State Pedagogical University of I.Y. Yakovlev. Series of "Natural and Technical Sciences". - 2012. -№ 4(76). - P. 47-50.
5. Vasilev, SA. The results of experimental studies and hydro-physical properties of soil erosion on the territory of IAPC «Trud» Batyrevskiy district of the Chuvash Republic [Text]/ SA. Vasilev, I.I. Maksimov, E.P. Alekseev [and etc.] // Messenger of the Chuvash State Pedagogical University of I.Y. Yakovlev. - 2013. - Edition 4(80), Ч.2. - P. 39-45.
6. Vasilev, SA. The hydraulic roughness of sloping agrolandscapes [Text]/ SA. Vasilev, I.I. Maksimov, V.I. Maksimov. - City of Cheboksary: «Novoe Vremya», 2014. -210 p. - ISBN 978-54246-0257-3.
7. Vasilev, SA. Determination of the equivalent roughness of the surface flow is formed to assess the anti-erosion measures on sloping lands [Text]/ SA. Vasilev, I.I. Maksimov, V.V. Alekseev // Irrigation and Water Management. - 2014. - Edition №4. - P. 31-34.
8. Maksimov, I.I. Prediction of erosion processes, equipment and technology for the treatment of sloping lands: The thesis of the doctor of technical sciences [Text]/ I.I. Maksimov. - City of Cheboksary, 1996. -325 p.
9. The method for determining the wetted perimeter of the channel with a rough surface [Text]
: patent 2292034 Russian Federation / I.I. Maksimov, SA. Vasilev, V.I. Maksimov. - Published
20.01.2007, Bull. № 2.
10. A method for determining the hydraulic losses due to friction [Text] : patent 2292539 Russian Federation/ I.I. Maksimov, SA. Vasilev, V.I. Maksimov. - Published 27.01.2007, Bull. № 3.
E-mail: [email protected] 200
