ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОРОСИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ГИДРАВЛИКА. ГЕОТЕХНИКА. ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 502/504:532.5 DOI: 10.22227/1997-0935.2020.8.1147-1162

Гидравлическая эффективность оросительных каналов

при эксплуатации

Ю.М. Косиченко, О.А. Баев

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации; г. Новочеркасск, Россия АННОТАЦИЯ

Введение. Рассматриваются различные причины снижения гидравлической эффективности оросительных каналов гидромелиоративных систем, среди которых выделяются основные факторы: зарастание, заиление и деформация русел. Приводятся данные по изменению в процессе эксплуатации коэффициентов шероховатости русел и КПД магистральных и распределительных каналов Юга России.

Материалы и методы. Гидравлической эффективностью гидромелиоративных систем будем называть обеспечение их высокой пропускной способности, близкой к проектной, при минимальных потерях. На основании анализа опыта эксплуатации оросительных каналов и ранее проведенных исследований сформулированы критерии их гидравлической эффективности по пропускной способности, коэффициенту полезного действия, допускаемым скоростям течения и допускаемым потерям воды на фильтрацию.

Результаты. Установлены показатели снижения пропускной способности и КПД при эксплуатации каналов с нормальным их состоянием, а также приведены соответствующие зависимости для определения остальных показателей гидравлической эффективности. По результатам анализа фактических данных, КПД магистральных каналов в земляном русле составляет 0,790, а для каналов в облицовке — 0,870, что значительно ниже требований норм. На основании компьютерной обработки натурных данных коэффициентов шероховатости и КПД каналов при нормальном их состоянии получены эмпирические зависимости вида п = /(О) и г| = /(О). Для сравнения приведены натурные данные изменения пропускной способности оросительных каналов в облицовке и в земляном русле при ^ ^ значительном их зарастании (растительностью и водорослями). Влияние этих факторов показано на примерах фо- £ О тоиллюстраций и на основе полученных данных коэффициентов шероховатости, которые изменяются по сравнению з I с проектными значениями в 2-4 раза. с К

Выводы. Сравнение коэффициентов шероховатости по 15 каналам и участкам при сильном зарастании с проектны- 3 ^ ми данными свидетельствует о том, что для каналов в земляном русле их шероховатость возрастает в 2,5-4,0 раза, ^ т а для каналов в облицовке — 1,7-2,5 раза. Проведенное сравнение результатов расчета коэффициентов шероховато- с у сти заросших русел по теоретическим формулам с натурными данными показало достаточно близкое их совпадение • . на примере трех каналов (Нижне-Донского и Азовского магистральных каналов, распределителя Бг-Р-7). ° М

y

КлючЕВыЕ слОВА: коэффициент шероховатости, оросительный канал, гидравлическая эффективность, пропускная способность, коэффициент полезного действия, гидравлическое сопротивление, земляное русло J 9

u -

r i

ДлЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Косиченко Ю.М., Баев О.А. Гидравлическая эффективность оросительных каналов при a 9 эксплуатации // Вестник МГСУ. 2020. Т. 15. Вып. 8. С. 1147-1162. DOI: 10.22227/1997-0935.2020.8.1147-1162 ^ 5

О о

§ 2 § g

Г œ

an

Hydraulic efficiency of irrigation channels in the course of operation

Yurij M. Kosichenko, Oleg A. Baev

Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems; Novocherkassk, Russian Federation ABSTRACT

Introduction. The co-authors have analyzed different reasons for the reduction of the hydraulic efficiency of irrigation chan nels comprising hydro-technical reclamation systems. The main factors include plant

beds. The co-authors provide data describing changes in the values of bed roughness ratios and efficiency of main and • V

distributary channels in the process of operation in the south of Russia. ° T

Materials and methods. The hydraulic efficiency of irrigation and drainage systems will be called the pro-vision of their U |

high throughput, close to the design, with minimal losses. They are based on throughput capacity and efficiency values, ac- 3 j,

ceptable flow rates and water losses due to the process of filtration. The criteria have been developed in furtherance of the ® .

analysis of operation of irrigation channels and previous studies. 5 n

Results. Factors reducing throughput capacity and channel efficiency have been identified for normal operating conditions; I E

dependences needed to identify other hydraulic efficiency factors are also provided. Based on the analysis of actual data, $ y

the efficiency of main canals in the earthen bed is 0,790, and for canals in the cladding — 0,870, which is significantly lower c O

than the re-quirements of the norms. Computer assisted processing of the field data on roughness and channel efficiency w w

ratios, obtained under normal conditions, was performed to obtain empirical dependences n = f(Q) and r| = f(Q). The field - -

data describing changes in the throughput capacity of linings and earth beds of irrigation channels exposed to significant 0 0

plant invasions (vegetation and algae) are provided for comparison purposes. The influence of these factors is demonstrated 0 0 in the photos and proven by the values of roughness ratios that are two to four times different from the design ones.

© Ю.М. Косиченко, О.А. Баев, 2020

Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)

Conclusions. Comparison of the roughness coefficients for 15 canals and sections with strong overgrowth with the design data indicates that for canals in the earthen channel their roughness increases by 2.5...4.0 times, and for canals in the lining — 1.7...2.5 times. Weedy bed roughness ratios were obtained by applying theoretical formulas and the field data, their comparison has demonstrated close convergence in respect of three channels, including Nizhne-Donskoy and Azovsky main channels, as well as distributary channel Bg-R-7.

KEYwoRDs: roughness ratio, irrigation channel, hydraulic efficiency, throughput capacity, efficiency, hydraulic resistance, earth bed

FoR CITATIoN: Kosichenko Yu.M., Baev O.A. Hydraulic efficiency of irrigation channels in the course of operation. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2020; 15(8):1147-1162. DOI: 10.22227/19970935.2020.8.1147-1162 (rus.).

О о

N N О О tV N

00 CO

К <D U 3

> (Л

с и U in

¡1

<D ф

О ё

---' "t^

о

о <£

8 «

™ . I

w «

со E

E о

CL° ^ с

ю о

S ц

о E со ^

T- ^

CO

со

О tn №

ВВЕДЕНИЕ

Обобщающие исследования гидравлической эффективности каналов представлены в работах В.С. Алтунина [1], И.А. Долгушева [2], В.Т. Чоу [3].

В работах Ю.М. Косиченко и др. [4-6] предложены критерии гидравлической эффективности каналов. Вопросами изучения и расчета заросших русел каналов занимались И.А. Долгушев [2], Э.Л. Беновицкий, М.Г. Хубларян [7] и др. [8]. Среди зарубежных авторов наиболее известны работы В.Т. Чоу [3], а также исследования, приведенные в источниках [9-13].

Как известно [4, 5], на нормальную работу каналов большое влияние оказывают такие факторы, как зарастание, заиление и деформация русел каналов.

При зарастании каналов растительностью их пропускная способность может снизиться в 3-4 раза и более, скорость — в 2-3 раза, а коэффициент шероховатости может увеличиться в 3 раза. Влияние зарастания особенно сильно сказывается в южных районах, где вода в каналах хорошо прогревается. В случаях, когда скорость потока незначительная, зарастание русла канала растительностью происходит достаточно быстро, в течение нескольких дней. Каналы периодического действия часто зарастают по всему периметру, а при их постоянной работе и относительно высокой средней скорости течения они практически не зарастают.

Зарастание русел каналов растительностью значительно повышает коэффициент шероховатости, снижает скорости воды, пропускную способность русла. По данным исследований И.А. Долгушева [2], при сильном зарастании русла каналов коэффициенты шероховатости достигают значений 0,060...0,087.

Для обеспечения работоспособного состояния оросительных каналов необходимо добиться стабильной их пропускной и транспортирующей способности. Стабильность работы оросительных каналов зависит от многих факторов: деформаций русла, размывов, фильтрации, зарастания, заиления, оползания откосов, разрушения облицовок, разрушения швов облицовок, образования трещин в бетоне и др.

К числу наиболее значимых причин, снижающих гидравлическую эффективность каналов как

в земляном русле, так и в облицовке, относятся фильтрация из земляного русла и водопроницаемость облицовок и их швов, которые приводят к различным негативным последствиям: непроизводительным потерям воды, подъему уровня грунтовых вод, подтоплению и заболачиванию территорий, засолению почв, созданию аварийных ситуаций. Следствием фильтрации из каналов является снижение КПД, необходимость строительства дренажа и отвода дренажного стока.

Комплексным показателем гидравлической эффективности каналов является их КПД, который учитывает потери при транспортировании и потери на фильтрацию из каналов.

Под гидравлической эффективностью каналов следует понимать обеспечение высокой пропускной способности их русел в процессе эксплуатации, близкой к проектной, при минимальных непроизводительных потерях воды, не превышающих допускаемые значения [4].

Н. Дэскэлеску [14] предлагал показатель гидравлической эффективности канала пс выразить суммой двух параметров: пт — параметра эффективности транспорта, характеризующего состояние содержания и проницаемость канала, и пи — параметра распределения и использования воды:

(1)

Согласно А.М. Латышенкову [15], под гидравлической эффективностью канала понимается коэффициент, представляющий собой отношение средней скорости движения воды v к скорости в канале с гидравлически наивыгоднейшим сечением v :

А = v/v = 0,97... 0,98.

(2)

Р.Р. Чугаев [16] ввел понятие практически наивыгоднейшей величины Р0н, которая лежит в пределах:

В <6° < (6 )

гг.н — г — \Рг.н/п

(3)

где Ргн — относительная ширина канала по дну для гидравлически наивыгоднейшего сечения.

Предельное значение гидравлически наивыгоднейшего сечения определяют по формуле, полученной Р.Р. Чугаевым:

(РГ,)п

„ т

= 2,5 + т,

(4)

где m — коэффициент заложения откоса канала трапецеидального сечения.

На основе моделирования водных потоков с высшей водной растительностью (ВВР) методами гидромеханики сплошной среды авторами [8] сформулирована математическая модель, в которой предлагается учитывать обобщенный критерий P, представляющий собой суммарное сопротивление набегающему потоку. При этом зависимость коэффициента гидравлической шероховатости заросшего русла от свойств водной растительности может иметь следующий вид:

я = f (P, l / d),

(5)

где I — среднее расстояние между стеблями растений; d — характерный диаметр растений.

Как показал анализ авторов данной работы, коэффициент шероховатости (пр) увеличивается с увеличением параметра Р при всех значениях отношения l/d, характеризующего плотность растений на единицу площади.

Э.Л. Беновицкий [7], используя гидравлический подход к выводу уравнения равновесия основных действующих сил на выделенный отсек жидкости, получил расчетную формулу коэффициента шероховатости русла с частичным зарастанием.

Ю.М. Косиченко [17] рассматривал более общую схему с учетом береговой растительности и водорослей, а также с учетом случайного характера их распределения по закону Пуассона, которая приведена в разделе «Результаты».

Из зарубежных ученых следует отметить книгу В.Т. Чоу [3], которая посвящена гидравлике открытых каналов, в том числе проблеме зарастания русел каналов и естественных водотоков. Здесь автор впервые представил детальную таблицу коэффициентов шероховатости как незаросших, так и заросших русел.

В работе [9] рассматривается прогнозирование средней скорости потока в открытых каналах с затопленной растительностью; в [10] изучается обтекание гибкого растительного покрова и дается оценка аналитических моделей; в [11] представлена оценка гидравлического сопротивления на последующее развитие профиля глубин водной поверхности в наклонном канале, покрытом густой растительностью.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В ряде статей [9-11] большое внимание уделяется исследованиям гидравлических сопротивлений двухслойной растительности при ее различной плотности. Данные исследования проводились экспериментально на лабораторных моделях, где растительность моделировалась в виде пластиковых цилиндров круглого сечения или теоретически —

на основе новых аналитических моделей. Нижний слой растительности у дна канала испытывал максимальное сопротивление из-за густой растительности, а верхний слой создавал меньшие сопротивления движению потока. Турбулентные потоки через растительность характеризуются рядом вихревых структур: вихревые потоки кармана в нижних слоях с растительностью, вихри около вершины растительности и вихри значительно выше растительного слоя. Предложенная новая аналитическая модель основана на принципах усреднения Рейнольдса. Данная модель была откалибрована с использованием экспериментов. Всего было проанализировано 22 типа различных экспериментальных условий с различной плотностью, жесткостью и глубиной потока.

В других исследованиях рассматривалось применение наноматериалов для снижения коэффициентов шероховатости открытых каналов. Изучались такие наноматериалы, как нанооксиды кремния, алюминия и титана. В работе показано, что динамика воды в малых ирригационных каналах требует своего тщательного исследования для повышения точности измерений расхода в этих каналах. В связи с этим разрабатываются новые датчики потока, которые бы обеспечивали повышенную точность измерений.

Сравнительные исследования различных типов облицовки каналов, в том числе из новых геосинтетических материалов, представлены с целью определения наиболее экономичного материала. Для облицовки каналов использовались геосинтетические материалы из поливинилхлорида (ПВХ), бетон, кирпичная кладка и др. На основании исследований самым экономичным материалом, подходящим для облицовки каналов, был признан геосинтетический материал.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

По результатам анализа данных, предоставленных службами эксплуатации учреждений мелиорации Минсельхоза России, были определены средние значения КПД магистральных и распределительных каналов Юга России (рис. 1). Общее среднее значение КПД магистральных каналов в земляном русле и облицовке (рис. 2, а) составляет 0,829, что значительно меньше требований норм свода правил СП 100.13330.20161 (СНиП 2.06.03-85. Мелиоративные системы и сооружения). При этом КПД каналов в земляном русле составляет 0,790, а для каналов в облицовке средний КПД равен 0,870, что также ниже требуемых значений. Еще более низкие зна-

1 Мелиоративные системы и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.06.03-85: СП 100.13330.2016: утвержден Министерством строительства жилищ.-ком-

мун. хоз-ва Рос. Федерации 16.12.16 : введ. в действие с 17.06.17. М. : Изд-во стандартов, 2017. 209 с.

< П

I*

кК

О Г и 3

о со

§ со

У 1

о со

и ¡з

^ I

§ °

о 2

=! (

О §

Е м § 2

о) 0 26 А Го > 6

ф ) ц

® (Л

(Л В ■ г

(Л п (Я у с о Ф Ж ®ов

О О 10 10 О О

a b

Рис. 1. Коэффициент полезного действия каналов оросительных систем Юга России: a — магистральных каналов; b — распределительных каналов

Fig. 1. Irrigation system channels efficiency of the south of Russia: a — main channels; b — distributing channels

о о

N N О О tv N

00 00

К <D U 3

> 1Л

с и U in

¡1

<D <u

о ё

---' "t^

о

о <£

8« 2. I

w

со E

E о

CL° ^ с

ю о

s ц

о E со ^

T- ^

CO CO

чения КПД имеют распределительные каналы оросительных систем. Общий средний КПД для них составляет 0,817, а для каналов в земляном русле КПД равен 0,754, для каналов в облицовке — 0,854. Согласно требованиям норм СП 100.13330.2016, КПД магистральных каналов должен быть не менее 0,90, а КПД распределительных каналов — не менее 0,93.

В результате анализа ряда работ и опыта эксплуатации оросительных каналов сформулированы критерии их гидравлической эффективности [5]:

1) по пропускной способности:

а' О < О < О ;

ср^пр ^ '

2) по допускаемым скоростям:

V < V < V ;

нез нер '

3) по относительной ширине русла:

Рг, <Р^Рша*;

4) по коэффициенту полезного действия:

РСрПпр <П^пр.

(6)

(7)

(8)

(9)

В дополнение к критериям (6-9) авторами статьи сформулирован критерий по допускаемым потерям на фильтрацию:

QC.min ^ 0ф ^ Qc

ф.доп'

значения ширины канала по дну гидравлически наивыгоднейшего сечения (минимальная, максимальная и эксплуатационная, соответственно) (по данным замеров); п, П — проектный и эксплуатационный КПД (по данным замеров); р^ — средний показатель снижения КПД вследствие влияния неучтенных факторов (незначительных деформаций русла, малой степени зарастания и др.) при нормальном состоянии русла; О, , О, , О. — удель-

7 ^ф.т1П ^ ф.доп ^ф ^

ные фильтрационные потери на 1 м минимальные, допускаемые и эксплуатационные (по данным замеров).

Для определения показателя снижения пропускной способности оросительных каналов а' при наличии данных наблюдений за расходами используем их отношение: а' = О/О (где О — замеренный эксплуатационный расход в канале при нормальном уровне воды; Опр — проектный расход).

В случае неизвестного эксплуатационного расхода О показатель а' можно рассчитать приближенно по коэффициентам шероховатости русел каналов, используя формулы при равномерном движении потока:

а =

Q

W

с4ш

Qnp ^Wnp

(11)

(10)

В вышеприведенных зависимостях использованы следующие обозначения: Опр — проектная (расчетная) и пропускная способность канала при эксплуатации (по данным замеров); — средний показатель снижения пропускной способности канала вследствие влияния неучтенных факторов (незначительных деформаций русла, малой степени зарастания и др.) при нормальном состоянии русла; V , V , V — допускаемые неразмывающая, не-

7 нер нез^ ^ А

заиляющая и средняя скорости при эксплуатации (по данным замеров); в , в , в — относительные

Откуда, принимая допущение о том, что при нормальном состоянии канала такие параметры, как площадь живого сечения w, гидравлический радиус R и уклон дна i, будут близки к проектным, после сокращений получим приближенную зависимость с учетом выражения для коэффициента Шези

по Н.Н. Павловскому [16] C =1 Ry :

n

а

пр n

(12)

где п , п — коэффициенты шероховатости русла канала при эксплуатации и проектный, соответственно.

Показатель снижения КПД каналов в' найдем из соотношения:

Ппр

^ - h - 2 К

Р,= +

h Pmax

- m - m

A A

A =—; A = —.

или

v^ = 0,3^u

= AQ°

n _ Q Qn _ 1 _ Qn

П_ Q " Q'

0,90 > 1 -

бф ~ 0,0156 Q '

откуда после преобразований:

Q + 0,015Q < 0,10Q

(13)

или

Параметры В и в получаем по известным

А А гг.н 'max J

зависимостям для гидравлически наивыгоднейшего сечения и максимального по А.М. Латышенкову [15]:

д < о,1од-0,015е.

Тогда зависимость для определения допускаемых фильтрационных потерь в магистральных каналах будет:

(14)

(15)

бф доп < 0,085Q.

(22)

Аналогично для распределительных каналов допускаемые фильтрационные потери найдем по зависимости:

где Ь — ширина канала по дну; h — глубина канала при нормальном уровне; т — коэффициент заложения откоса; Ли и Лу — параметры глубины и скорости течения, вычисляемые по зависимостям:

О,доо < 0,055Q.

(23)

(16)

При проведении расчетов следует задаваться значением параметраЛу в пределах 0,97...0,98.

Значения допускающей незаиляющей скорости определяются по формулам в соответствии с СП 100.13330.20161:

(17)

(18)

где Л — эмпирический коэффициент, принимаемый Л = 0,33...0,55 при м> < 1,5 мм/с — Л = 0,33;

= 1,5 . 3,5 мм/с — Л = 0,44, > 3,5 мм/с — Л = 0,55.

Значения допускающей неразмывающей скорости находим в соответствии с СП 100.13330.20161.

Допускаемые и минимальные потери на фильтрацию бфдоп, бфШ;п получаем исходя из следующих соображений. Они могут определяться по нормативному КПД оросительных каналов по СП 100.13330.20161 (для магистральных — Пнор - 0,90, для распределительных — пнор - 0,93).

Используем зависимость для КПД канала в виде:

Полученные зависимости (24) и (25) основываются на нормативных требованиях к каналам и учитывают главную эксплуатационную характеристику — расход канала Q.

Для вывода зависимости минимальных удельных потерь на фильтрацию необходимо учесть, какой КПД каналов можно обеспечить с использованием тех или иных современных высокоэффективных противофильтрационных материалов и конструкций облицовок. Опыт применения таких конструктивных решений, накопленный в ФГБНУ «РосНИИПМ» [6], показывает, что при использовании геомембран из полиэтилена толщиной от 1 до 3 мм и бентоматов можно добиться КПД до 0,97...0,98.

Подставляя предельные значения КПД в уравнение (23), запишем его в виде:

О, -0,0150

Птах = 0,97...0,98 < 1 - ф о * . (24)

Заменяя в (24) КПД на среднее значение П = 0,975, после преобразований получим зависимость для определения нижнего предела минимальных фильтрационных потерь:

Q,mm > 0,030Q.

(25)

(19)

где Qп = Qф + Qи — технические потери из канала, включающие потери на фильтрацию Qф и испарение Q .

и

Найдем зависимости допускаемых потерь на фильтрацию с учетом задания потерь на испарение ориентировочно равными:

6П = (0,01/0,02)6 « 0,0156. (20)

Подставляя в (21) п и Q , получим:

(21)

Для обеспечения высокой гидравлической эффективности каналов, как было указано выше, необходимо применение конструкции облицовок из геосинтетических и геокомпозитных материалов. Использованию высокоэффективных материалов в настоящее время посвящено много работ как отечественных [6], так и зарубежных авторов [18-22].

К геосинтетическим материалам относятся геомембраны из полиэтилена высокого (ПЭВД) и низкого (ПЭНД) давления поливинилхлорида (ПВХ) [6], а к геокомпозитным — комбинированные материалы, которые включают несколько типов геосинтетиков, соединенных между собой иглопробивным способом или термоскреплением, таких как бентонитовые маты, геомембраны гладкие, соединенные с геотекстилями, дренажные маты и многие другие композиты, исследования которых рассмотрены в работах [23-28].

< п

iH

kl

G Г

S 3

0 С/з § С/3

1 2 У 1

J со

u 3

^ I

n °

o 2

zs (

О =?

о §

E w

§ 2

0) 0

00 66

A CD

Г 6

IT §

0 )

н ®.

01 В

■ T

s у с о <D X , CO

2 2 О О 2 2 О О

— m

О О сч N о о

N N 00 00

К <D

U 3

> (Л

С И

to in

il

<D <u

Для определения показателя снижения пропускной способности оросительных каналов а' используем сгруппированные данные натурных исследований пропускной способности каналов Юга России при нормальном их состоянии (табл. 1).

На основании статистической обработки полного ряда натурных данных коэффициентов шероховатости девяти каналов и участков Юга России, включающего 21 значение наблюдений, было установлено, что среднестатистическое значение показателя снижения пропускной способности при нормальном состоянии русла составило:

ХаЧ 20 132

а --= = 0,958,

k 21

где k — общее количество ряда наблюдений (21 значение).

Доверительный интервал измерения показателя а' :

а'± 1а к аа, = 0,958 ± 2,08 • 0,00452 = = 0,938...0,977, где (аЛ — распределение Стьюдента при а = 0,05 и k = 21, а' — 0,958; о-, — ошибка выборочной средней (ой, = 0,00452 м3/с).

Таким образом, в результате статистической обработки полного ряда наблюдений коэффициентов п получено среднее значение коэффициента шероховатости:

Е П 0,4784

пср — =-= 0,0228.

ср Е к 21

Тогда доверительный интервал изменения коэффициента п составит:

и ± / п = 0,0228 ± 2,08 • 0,00105 =

ср а,к пср

= 0,0206...0,0250.

На рис. 2 представлена точечная диаграмма изменения коэффициентов шероховатости в зависимости от расходов для полного ряда наблюдений при нормальном состоянии для каналов в земляном русле.

Проведя компьютерную обработку данных коэффициентов п с использованием линии тренда и показателя достоверности аппроксимации Я2 и исключения выпадающих значений п, были получены следующие эмпирические формулы:

• степенная:

п — 0,02560-°'О24( Я2 — 0,895);

• полиноминальная:

п — 2 • 10-9 02 - 8 • 10-6 Q + 0,023 (Я2 — 0,836).

Теперь рассмотрим данные по 10 каналам — изменения КПД в зависимости от расхода Q, которые приведены в табл. 2. Полный ряд наблюдений включает в себя 17 каналов и значений КПД.

Среднестатистическое значение для полного ряда показателей снижения КПД получено равным:

р = 15858 = 0,932.

в Е к 17

Доверительный интервал изменения показателя снижения КПД:

в' ± гаД ств, = 0,932 ± 2,11- 0,0121 = 0,907...0,958.

Компьютерная обработка данных наблюдений с учетом исключения выпадающих значений

О S —■

о

о у

CD <f

s = ™ . I

ОТ «

от Е

— -ь^

Е § ^ с

ю о

S ц

о Е с5 °

СП ^ т- ^

£

ОТ °

Табл. 1. Сгруппированные натурные данные пропускной способности, коэффициентов шероховатости и показателя a' Table 1. Grouped full-scale data of throughput, roughness coefficients, and indicator a'

Канал Channel Q, м3/с / Q, m3/s n Ппр / nth ! "»P , , "Oh a =—-/ a = — n n

БСК-1 (1...7 км) BSK-1 (Great Stavropol Canal) (1.7 km) 25,84.189,19 0,0238.0,0225 0,0225 0,945.1,0

БСК-1 (7.16 км) BSK-1 (Great Stavropol Canal) (7.16 km) 25,01.186,15 0,0238.0,0226 0,0225 0,945.0,995

БСК-1 (16.27 км) BSK-1 (Great Stavropol Canal) (16.27 km) 23,84.182,17 0,0239.0,0227 0,0225 0,941.0,991

БСК-1 (1.27 км) BSK-1 (Great Stavropol Canal) (1.27 km) 25,23.182,60 0,0234.0,0226 0,0225 0,961.0,995

Невинномысский МК / Nevinnomyssk Main Channel 30,0.75,0 0,0215.0,0225 0,0225 0,930.1,0

Баксан-Малка / Baksan-Malka 10,0.27,0 0,0225.0,0210 0,0200 0,952.0,930

Донской МК / Don Main Channel 201,0 0,0268 0,0250 0,933

Пролетарский МК / Proletarskii Main Channel 54,0 0,0203 0,0200 0,985

Терско-Кумский МК / Tersko-Kumskii Main Channel 80,0 0,0237 0,0225 0,949

позволила получить следующие эмпирические зависимости:

• степенную:

П = 0,63800,0501 (Я2 = 0,805);

• линейную:

п = 0,0066 + 0,789 (Я2 = 0,751);

• полиноминальную:

П = -6 • 10-6б2 + 0,0020 + 0,711 (Я2 = 0,812).

Среднее значение КПД каналов в земляном русле составило:

Е 13,698

17

= 0,806.

Отсюда, проведенный статистический анализ натурных данных снижения пропускной способности и КПД каналов в земляном русле при нормальном их техническом состоянии позволяет сделать вывод, что при эксплуатации неизбежно происходит снижение основных проектных показателей расхода Qпр и КПД ппр до определенных значений. Так, в случае нормального состояния оросительных каналов по данным изменения коэффициентов шероховато-

Канал / Channel Q, м3/с / Q, m3/s n Ппр / nth г Ппр i r nth a =—-/ a =— n n

БСК-1 / BSK-1 180 0,928 0,90 1,031

БСК-2 / BSK-2 60 0,8 0,85 0,941

Александровский распределитель / Aleksandrovskii distributor 21 0,90 0,85 1,058

Саблинский распределитель / Sablinskii distributor 21 0,80 0,85 0,941

БСК-3 / BSK-3 55 0,80 0,85 0,941

БСК-4 / BSK-4 53 0,85 0,90 0,944

Право-Егорлыкский МК / Pravo-Egorlykskii Main Channel 45 0,75 0,85 0,882

Невинномысский / Nevinnomyssk 75 0,90 0,93 0,967

Азовский МК / Azov Main Channel 22 0,78 0,83 0,939

Багаевский МК / Bagaevskii Main Channel 34,6 0,75 0,84 0,906

< п

8 8 ITH

k к

о

S

с

Рис. 2. Зависимость характеристик каналов в земляном русле от расходов при нормальном состоянии: красный — коэффициент полезного действия (данные каналов: БСК-1; БСК-2, Александровский распределитель (Р-l), Саблинский распределитель (Р-l), БСК-3, БСК-4, Правоегорлыкский МК, Невинномысский, Азовский МК, Багаевский МК); синий — коэффициент шероховатости (данные каналов БСК-1 (1.. .7 км), (16.. .27 км), (1.. .27 км); Баксан-Малка, Невинномысский, Донской МК, Пролетарский МК, Терско-Кумский)

Fig. 2. Dependence of the channel characteristics in the earth bed on the flow under normal conditions: red — efficiency factor (BSK-1; BSK-2, Aleksandrovskii distributor (R-l data), Sablinskii distributor (R-l), BSK-3, BSK-4, Pravoegorlykskii Main Channel, Nevinnomyssk Main Channel, Azov Main Channel, Bagaevskii Main Channel); blue — roughness coefficient (BSK-1 (1...7 km), (16...27 km), (1...27 km); Baksan-Malka, Nevinnomyssk, Don Main Channel, Proletarskii Main Channel, Tersko-Kumskii)

Табл. 2. Натурные данные КПД каналов в земляном русле и показателя снижения их КПД

Table 2. Full-scale data on the efficiency of the channels in the earth bed and their efficiency reduction indicators

0 CO

n со

1 о

У 1

J to

u -

^ I

n °

3

o 2

zs (

О =?

о n

CO CO

Q)

|\J CO О

об >86 c я

h о

c n

0 )

[i

ф 0

01 В

■ T

(Л У

с о ф [

, со

2 2 О О 2 2 О О

сти (см. табл. 2) доверительный интервал показателя снижения пропускной способности составил а' = 0,938...0,977, а по данным КПД (см. табл. 2) показатель снижения КПД — в' = 0,907.0,958. На основании этих данных можно полагать, что при эксплуатации происходит снижение пропускаемого расхода по каналу при нормальном его состоянии на 2,3.6,2 %, а КПД — на 4,2.9,3 %. Учитывая, что такое снижение основных показателей гидравлической эффективности достаточно большого количества каналов обосновано данными натурных наблюдений, предлагается их принять за допускаемые значения по отношению к проектным значениям, расходам и КПД каналов. Так как эти показатели характеризуют условия эксплуатации каналов,

то они могут быть названы как эксплуатационные и, соответственно, обозначены через О и п .

А ^экс 'экс

Указанные основные показатели гидравлической эффективности каналов при эксплуатации могут быть определены по соотношениям:

бзкс = вир - (0,023...0,062)бпр = (0,938...0,977)в^ Пэкс = Пор -(0,042...0,093)ппр = (0,907...0,958)ппр.

В связи с этим считаем целесообразным включить данные положения в качестве дополнения к нормативному документу СП 100.13330.20161.

Для сравнения далее рассмотрим имеющиеся натурные данные по коэффициентам шероховатости каналов в облицовке и в земляном русле при наличии в них водорослей и значительного зарастания растительностью (табл. 3).

Табл. 3. Натурные данные пропускной способности каналов и показателя снижения пропускной способности при наличии водорослей и зарастания

Table 3. Full-scale data on channel throughput capacity and indicators of throughput capacity reduction in the presence of algae and overgrowth

Канал Channel Q, м3/с / Q, m3/s n / n зар ov n / n,, пр th Ипр / , «th a = —р / a = —— зар ov n n

Каналы в облицовке / Lined channels

Распределительный канал Бг-Р-7 / Distributing channel Bg-R-7 2,59 0,0354 0,0157 0,443

ПК 56 / PK 56 1,13 0,0369 0,0157 0,425

ПК 189 / PK 189 17,0 0,0290 0,0170 0,586

Северский Донец-Донбасс / Severskyi Donets-Donbass 17,0 0,0300 0,0170 0,566

б. Ср. Ступки / b. Sr. Stupki 11,0 0,0335 0,0170 0,507

б. Долгая / b. Dolgaia 5,3 0,0330 0,0150 0,454

Канал ТМ-1 / ТМ-1 channel 3,7 0,0330 0,0150 0,454

гидропост 1 / gauging station 1 14,2 0,0250 0,0150 0,600

Канал ТМ-2 / ТМ-2 channel 8,4 0,0310 0,0150 0,484

гидропост 1 / gauging station 1 12,0 0,0270 0,0150 0,550

гидропост 2 / gauging station 2 7,8 0,0320 0,0150 0,469

Каналы в земляном русле / Earth bed channels

Нижне-Донской МК / Nizhne-Donskoy Main Channel 25,6 0,0374 0,0225 0,601

22,5 0,038 0,0225 0,592

21 0,042 0,0225 0,535

17,7 0,045 0,0225 0,500

10,3 0,0603 0,0225 0,373

7,6 0,0532 0,0225 0,422

5,3 0,0504 0,0225 0,446

Азовский МК / Azov Main Channel 15 0,0554 0,0225 0,406

12,8 0,0482 0,0225 0,466

9,8 0,063 0,0225 0,357

7,1 0,0623 0,0225 0,361

4,1 0,056 0,0225 0,401

2,5 0,067 0,0225 0,335

Солдатский МК / Soldatskii Main Channel 1,45 0,033 0,0225 0,681

1,65 0,03 0,0225 0,750

1,3 0,046 0,0225 0,489

0,3 0,087 0,0225 0,258

Канал Северский Донец - Донбасс Severskyi Donets-Donbass Channel 33 0,043 0,02 0,465

33 0,046 0,02 0,435

28 0,084 0,02 0,238

30 0,052 0,02 0,385

о о

N N О О tv N

00 CO

К <D

U 3

> (Л

С И

U in

¡1

<u <u

О ё —■

о

о <£

CO CO

■S

CO "

со E

E О

CL° ^ с

ю о

S Ii

о E

CO ^

T- ^

Средние значения коэффициентов шероховатости каналов в облицовке составляют:

X

n 0,3458

= 0,0314,

= 0,0523.

ср Ек 11

а каналов в земляном русле:

Е П 1,099

п = — =-

Р Е к 21

Среднестатистические значения показателей снижения пропускной способности:

• для каналов в облицовке:

Та ' 5 543 а '—4^ — — 0,504;

Т^ 11

• для каналов в земляном русле: 9,496

-, E-;

а =-

= 0,452.

Т^ 21

Анализ значений коэффициентов шероховатости каналов в облицовке (см. табл. 3) по сравнению с проектными значениями показывает, что при сильном зарастании коэффициенты пзар существенно возрастают (в 1,7-2,5 раза) за счет сопротивления, которое оказывают водоросли. Еще большая степень зарастания, которая приводит к увеличению коэффициентов шероховатости до 2,5-4,0 раз, характерна для каналов в земляном русле. При этом показатели снижения пропускной способности а' уменьшаются для каналов в облицовке до 0,425.0,450 против данных а' кана-

лов без зарастания (с нормальным состоянием) (см. табл. 1) — до 0,930.0,945.

На рис. 3 приведены точечные диаграммы коэффициентов шероховатости каналов в облицовке и в земляном русле при зарастании. В результате математической обработки этих данных на компьютере в программе Microsoft Excel получены степенные зависимости:

• для каналов в облицовке при образовании водорослей:

«о6л = 0,0374б-°'077 (R2 = 0,82);

• для каналов в земляном русле при значительном зарастании растительностью (камышом):

«зем = 0,074б-од6 (R2 = 0,783).

Таким образом, натурные данные в табл. 3 свидетельствуют о том, что при зарастании растительностью каналов в земляном русле и при наличии водорослей в каналах с облицовкой гидравлическая эффективность их значительно снижается, что приводит к снижению пропускной способности в 2-4 раза.

Для сравнения приведены фотоиллюстрации каналов без зарастания в нормальном состоянии (рис. 4) и с зарастанием (рис. 5).

Фотографии каналов Ростовской области (см. рис. 5) — Нижне-Донского МК и Азовского МК — дают наглядное представление о степени влияния растительности (камыша) и водорослей (сине-зеленых) на живое сечение каналов и сопротивление движению водного потока.

0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0

^обл. ^зем. ^clad ^earth

од

0,08

0,06

0,04

0,02

ч 4 ♦

* А ♦ ♦ I

♦ ♦ ▼ < ♦ 4 ♦

♦ ▼ ♦

10

15

20

25

30 35

Q, M3/c/m3/s

< П

ITH

kK

G Г

S 2

0 со

n СО

1 О y 1

J со

u -

^ I

n °

О 3

o s

=s (

о n

СО со

О)

Рис. 3. Зависимость коэффициентов шероховатости n каналов от расходов Q при сильном зарастании русел: синий — для каналов в облицовке (данные каналов: Бг-Р-7, Сев. Донец - Донбасс, ТМ 1, ТМ 2 г/п 1, г/п 2); красный — для каналов в земляном русле (данные каналов: Нижне-Донской МК, Азовский МК, Солдатский МК, Сев. Донец - Донбасс) Fig. 3. Dependence of channel roughness coefficients n on flows Q when the beds are heavily overgrown: blue — for lined channels (data of Bg-R-7 channels, Sev. Donets-Donbass, TM 1, TM 2 gauging station 1, gauging station 2); red — for earth bed channels (channels data: Nizhne-Donskoy Main Channel, Azov Main Channel, Soldatskii Main Channel, Sev. Donets-Donbass)

i\j со о

Об >86 c я

h о

С 9

О )

ii

® (Л

(Л В ■ т

s у с о

(D * , СО

M 2 О О 10 10 О О

Рис. 4. Оросительные каналы Юга России в нормальном состоянии: a — Донской МК, 46 км; b — Большой Ставропольский канал (БСК-1), 6 км

Fig. 4. Irrigation channels of the south of Russia under normal conditions: a — Don Main Channel, 46 km; b — Great Stavropol Canal (BSK-1), 6 km

о о

N N О О tv N

00 00 к ai

U 3

> (Л

с и ta in

¡1

<u Ф

О £

---' "t^

о

о У

S с

8 «

Z ■ ^

ОТ 13

от IE

Е О

CL° ^ с

ю о

S «

о Е с5 °

СП ^ т- ^

от от

£ w

a b

Рис. 5. Оросительные каналы Ростовской области при сильном их зарастании: а — Нижне-Донской МК; b Азовский МК

Fig. 5. Irrigation channels of Rostov Region with strong overgrowth: a — Nizhne-Donskoy MK; b — Azov MK

В связи с этим важной задачей для борьбы с зарастанием каналов является удаление растительности с помощью специальных косилок и обработка ложа гербицидами.

Аналогичные данные по влиянию степени зарастания растительностью каналов на снижение гидравлической эффективности каналов приводятся в работах И.А. Долгушева [2] и В.Т. Чоу [3]. При этом, согласно результатам исследований, максимальные значения коэффициентов шероховатости земляных русел достигают значений 0,060.0,087 при средних значениях 0,035.0,045. Весьма обстоятельные исследования различных каналов за рубежом представлены в работах [3, 18- 20], где приведены фотоиллюстрации типичных каналов с различной степенью зарастания при коэффициентах шероховатости русла от 0,012.0,024 (в нормальном состоянии без зарастания) до 0,08.0,15 (при очень высокой степени зарастания водорослями, кустарниками и небольшими деревьями). В работе [3] приведена разработанная авторами детальная таблица значений коэффициентов шероховатости каналов, вклю-

чающая данные при зарастании русел растительностью, водорослями и кустарником, вследствие чего значения коэффициентов шероховатости достигают до 0,05.0,14.

Далее рассмотрим гидравлические расчеты заросших русел каналов для определения коэффициентов шероховатости и оценки их гидравлической эффективности.

Используя вышеприведенную теоретическую формулу коэффициентов шероховатости заросших русел для условий зарастания водной растительностью и водорослями, найдем расчетные значения пр для каналов Нижне-Донского МК, Азовского МК, распределителя Бг-Р-7 и сравним их с натурными данными.

Расчетная схема для наиболее общего случая при частичном зарастании русла канала водной растительностью приведена на рис. 6. Исходя из этой общей схемы, Ю.М. Косиченко [17] получена обобщающая зависимость с учетом береговой растительности и водорослей при случайном характере их распределения:

Хо ( Vo 1 2. Хр ( Vp 1 2 , Хвод (V ^ вод

X V V J 1 X Iv J V VO J

R4/3

2 g • n

юр

Сд d-t ю

fv V (

р

v

N-

2ln V

Pn

- □

□

(26)

□ -□

k ^ ^ VV0-

4 ю I v

Код Ювод

4 ю

VM in

юв,

Plm

где п0 — коэффициент шероховатости заросшего русла без растительности; х — часть смоченного периметра русла без растительности, м; х — общий периметр сечения русла с учетом части периметра без растительности и с растительностью, м; V, — средняя скорость потока части русла без растительности, м/с; V — средняя скорость всего сечения потока с учетом незаросшей и заросшей части русла, м/с; vр — средняя скорость потока в пределах зоны растительности, м/с; хвод — периметр границ зоны водорослей, м; vвод — средняя скорость потока в пределах зоны водорослей, м/с; Я — гидравлический радиус, м; g — ускорение силы тяжести, м/с2; Сд — коэффициент лобового сопротивления растений; d — диаметр растений, м; юр — площадь сечения русла с растительностью; ю — площадь сечения русла без растительности; N — густота растительности, шт./м2; cN — среднеквадратичное отклонение растений; V, — интенсивность (густота) зон растений; Р Р — вероятность распределения соответственно зон растений и зон водорослей; k — число границ раздела растительности; — коэффициент гидравлического сопротивления русла по границе зоны с растительностью; h — высота смоченной части растений, м; ювод— площадь зоны водорослей, м; — коэффициент гидравлического сопротивления зон водорослей; v1 — густота зон водорослей; т — количество интервалов зон водорослей.

Из более общей формулы (26) можно получить частные зависимости.

Формула для расчета при частичном зарастании русла водной растительностью (камышом) с двух берегов канала на откосах при исключении слагаемых под корнем, относящихся к участкам с водорослями, будет:

R

4/3

2 g • П0

- И„

Cgd

д ю

Л, V (

N + сА

'

^ ^ (V

4 ю I v

(27)

< П

I*

iH

кк

G Г

S 2

а в случае наличия только водорослей без водной растительности с учетом преобразований получим:

R

4/3

•Ю„

ю0 ю

__г•Ю• ln

2 g • n0 4 ю p тв

(28)

0 СО n С/3

1 о

У 1

J со

u 3

^ I

n ° О 3 o о

=s (

О =? о n

co co

0)

Рис. 6. Расчетная схема канала при зарастании водной растительностью и водорослями (на примере Нижне-Донского МК, размеры в м)

Fig. 6. Design diagram of channel with aquatic vegetation and algae overgrowth (by the example of the Nizhne-Donskoy Main Channel, dimensions in m)

i\j со о

о£ >86 c я

h о

С n

0 )

ii

® 0

01 В

■ T

s у с о ii

, со

2 2 О О 2 2 О О

п =

О О сч N о о

N N 00 00

К <D

U 3

> (Л

С И

to in

il

<D <u

О £

---' "t^

о

о <£

При расчете коэффициента шероховатости заросшего русла для конкретных случаев учитываются соответствующие расчетные формулы (26)-(28) и рассматриваются необходимые натурные данные.

Нижне-Донской МК. Расчет для условий его зарастания на откосе с одного берега водной растительностью (камышом), а с другого берега — водорослями при незаросшем дне канала проводим по формуле (26).

Исходные данные: Q = 6,4 м3/с; п = п = 0,0225; п = 0,0374; h = 2,8 м; Ь = 7,0 м; Я = 1,45 м; С = 0,5;

N = 10 шт./м2; ю = 43,12 м2; ' 1

С = 0,5; N = 55 шт/м2; œ = 13,6 м2; х = 13,11 м

д ' ' ' л

h = 1,6 м; m = 7,2 м2; œ = 6,4 м2; v = 0,152 м/с

р ' ' 0 ' ' р ' ' '

v0 = 0,230 м/с; vp = 0,065 м/с; х0 = 4,5 м; хр = 14,62 м

; œ /œ = 0,471; h /

р р

о„ = 0,3; Я' = 0,28; X' = 0,256

v /v = 1,51; v /v = 0,427; œ /œ = 0,471; h /œ = 0,059

0 р р р

Vp = 5 шт/м; Pp = 0,9:

h =- h = 1,4

р 2 ,

м;

œ = 19,6 м2; œ = 9,:

0р

; юв = 6,0 м2; V = 0,148 м/с ^ = 0,32 м/с; V = 0,065 м/с; V = 0,053 м/с; х = 29,77 м

0 ' ' р ' ' в ' ' Л. ?

Х0 = 12,6 м; хв = 8,79 м; х = 8,16 м; v0 /V = 2,16

V /V = 0,439; Vв /V = 0,358; х /х = 0,423; х/х = 0,274 Х/х = 0,294; юв/ю = 0,227; h /ю = 0,032; ю /ю = 0,139

в р р в

V = 5 шт./м; Р„ = 0,9; о„ = 0,3; к = 1 шт./м; Р = 0,85

р 7 N > 7 N > в 'в'

X; = 0,28; ХВ = 0,256; к = 1, тв = 0,1.

Азовский МК (65 км). Расчет для условий его частичного зарастания водной растительностью (камышом) при незаросшем дне проводим по формуле (27).

Исходные данные: Q = 2,07 м3/с; п0 = п = = 0,0225; п = 0,0554; h = 1,6 м; Ь = 4,5 м; Я = 1,04 м;

N

к = 2.

Распределитель Бг-Р-7 (ПК-189). Расчет для условий его зарастания водорослями (сине-зелеными) проводим по формуле (28).

Исходные данные: Q = 1,13 м3/с; п0 = п = 0,0157; п = 0,0369; ю = 5,6 м2; Я = 0,76 м; ю = 1,12 м2;

нат в

ХВ = 0,354.

Все результаты расчета коэффициентов шероховатости заросших русел Нижне-Донского МК, Азовского МК и распределительного канала Бг-Р-7 сведены в табл. 4.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что для всех случаев расчетные значения коэффициентов шероховатости заросших русел удовлетворительно согласуются с натурными данными в пределах от 11 до 18 %. Так, для Нижне-Донского МК расчетный коэффициент шероховатости при среднем количестве камыша на 1 м2 N = 10 шт./м2 составил п = 0,0442, а отклонение

расч ^ ^

от натурного значения — е = 15,4 %. Для Азовского МК расчетное значение коэффициента полу-

Табл. 4. Результаты расчета коэффициентов шероховатости заросших русел каналов по теоретическим формулам и сравнения с натурными данными

Table 4. Calculation data of roughness coefficients of overgrown channel beds using theoretical formulas and comparison with full-scale data

Канал, тип русла Channel, bed type Q, м3/с Q, m3/s n /n. нат 0 nfsc/n0 v/v0 œ, м2 œ, m2 R, м R, m N, шт./м2 N, pcs./m2 n расч n, des s, % Характер зарастания русла Bed overgrowth type

Нижне-Донской МК, земляное русло Nizhne-Donskoy Main Channel, earth bed 6,4 0,0374 0,0225 0,148 0,320 43,12 1,45 10 0,0442 15,4 Зарастание с одного берега камышом, с другого — водорослями Club-rush overgrowth on one bank and algae on the other bank

Азовский МК (65 км), земляное русло Azov Main Channel (65 km), earth bed 2,07 0,0554 0,0225 0,152 0,230 3,60 1,04 55 0,0452 -18,4 Зарастание обоих берегов Both banks overgrowth

Распределительный канал Багаевской ОС Бг-Р-7 (ПК-189), русло, облицованное бетоном Distributing channel of Bagaevskaia Irrigation System Bg-R-7 (PK-189), concrete bed 1,13 0,0369 0,0157 0,20 5,60 0,76 5* 0,0416 11,3 Водоросли по всему сечению русла Algae across the entire bed cross-section

о со CM

со " от E — -b^

I §

CL° ^ с

ю о

s «

о Е

СП ^ т- ^

со

(Л

О (0 №

Примечание: *Зоны водорослей в русле Note: *Algae zones in the bed

чилось наибольшим п = 0,0452 при отклонении

расч ^ А

от натурного значения е = -18,4 %, что объясняется очень сильным зарастанием русла с обоих берегов на откосах. Для канала Бг-Р-7 расчетный коэффициент наименьший — п = 0,0416 при отклонении

расч ^ А

от натурного значения е = 11,3 %. Такой результат, по-видимому, можно объяснить меньшей степенью зарастания облицованных каналов водорослями.

Таким образом, выполненное сравнение подтверждает справедливость применения теоретических формул для расчета заросших русел каналов.

В заключение отметим, что на гидравлическую эффективность каналов влияют не только деформации их русел, зарастание растительностью, но и фильтрация из каналов в грунтовое основание. При этом, если фильтрация в грунтовое основание каналов хорошо изучена, то фильтрация (водопроницаемость) через трещины и швы облицовки еще требует своего изучения.

Исходя из вышеприведенных примеров влияния зарастания на коэффициенты шероховатости русел каналов, можно считать, что проведенные исследования гидравлической эффективности каналов Юга России согласуются и подтверждаются результатами исследований [2, 4].

ВЫВОДЫ

1. Анализ ранее проведенных исследований и опыта эксплуатации оросительных каналов Юга России свидетельствует о том, что в процессе функционирования происходит снижение их гидравлической эффективности вследствие влияния различных факторов, к числу основных из которых относятся зарастание, заиление и деформации русел каналов.

2. Как показала проведенная статистическая обработка натурных данных коэффициентов шероховатости и коэффициентов полезного действия по 9-17 каналам Юга России, при нормальном их состоянии среднее их значение для каналов в земляном русле составит п = 0,0228 и п = 0,806.

ср ср

При этом средний показатель снижения пропускной способности а '= 0,958 при доверительном интервале в пределах 0,938.0,977, а показатель снижения КПД р ' = 0,932 при доверительном интервале 0,907.0,958. Исходя из представленных данных по показателю снижения пропускной способности при нормальном состоянии русел каналов, во время эксплуатации происходит снижение пропускной способности каналов на 2,3.6,2 %, а КПД — на 4,2.9,3 %, что можно принять как

допускаемые эксплуатационные значения по отношению к проектным расходам и КПД каналов: О = (0,938.0,977)0 и п = (0,907.0,958)п .

^экс у ^ ^ '^пр 'экс у ^ 7 ' 'пр

Указанные положения могут быть приняты как нормативные и соответственно включены в качестве дополнения к своду правил по проектированию оросительных систем и сооружений.

3. На основании опыта эксплуатации оросительных каналов гидромелиоративных систем в дополнение к существующим критериям предложен критерий по допускаемым потерям на фильтрацию, усовершенствованы критерии их гидравлической эффективности по пропускной способности, допускаемым скоростям, относительной ширине русла и КПД.

4. По результатам компьютерной обработки натурных данных гидравлической эффективности оросительных каналов получено семь эмпирических зависимостей п = ДО) и п = АО) при нормальном состоянии каналов и пзар = А0) — при значительном зарастании каналов воблицовкеи в земляном русле, достоверность которых подтверждена коэффициентом достоверности аппроксимации Я2(Я2 = 0,805.0,924).

5. Сравнение значений коэффициентов шероховатости 15 каналов и участков при зарастании с проектными данными показывает, что при сильном зарастании коэффициенты пзар для каналов в облицовке значительно возрастают — в 1,7.2,5 раза — за счет гидравлического сопротивления, которое оказывают водоросли. Для каналов в земляном русле характерна еще большая степень зарастания, которая приводит к увеличению коэффициентов пзар до 2,5.4,0 раз. При этом показатели снижения пропускной способности а' уменьшаются в каналах с зарастанием до 0,425.0,450 — для облицованных русел и до 0,238.0,373 — для земляных русел против каналов без зарастания (с нормальным состоянием).

6. Проведенное сравнение результатов расчета коэффициентов шероховатости заросших русел по теоретическим формулам (26)-(28) с ранее полученными натурными данными показало достаточно близкое их совпадение на примере трех каналов в земляном и облицованном руслах (Нижне-Дон-ского МК, Азовского МК, распределителя Бг-Р-7) с отклонением их значений в пределах 11...18 %. Указанное сравнение результатов расчета подтверждает справедливость применения теоретических формул для гидравлических расчетов заросших русел каналов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алтунин В.С. Мелиоративные каналы в земляных руслах. М. : Колос, 1979. 255 с.

2. Долгушев И.А. Повышение эксплуатационной надежности оросительных каналов. М. : Колос, 1975. 136 с.

< п

iH

k к

G Г

0 С/з § С/3

1 2 У 1

J со

u -

^ I

n °

oо

з (

о =?

о §

E w § 2

0) 0 00 66 r 6

an

0 )

[i

® 0

01 В

■ T

s у с о <D X

s°s°

2 2 О О 10 10 О О

3. Чоу В.Т. Гидравлика открытых каналов / пер. с англ. канд. техн. наук И.В. Филимоновой. М. : Стройиздат, 1969. 464 с.

4. Косиченко Ю.М., Гурин К.Г., Самойлен-ко А.В. Гидравлическая эффективность крупных каналов Северного Кавказа // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2005. Т. 7. № 4. С. 378-391.

5. Косиченко Ю.М., Угроватова Е.Г. Повышение эффективности эксплуатации крупных каналов и обоснование формы и гидравлических сопротивлений русел полигонального сечения // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2018. № 2 (198). С. 96-103. DOI: 10.17213/0321-2653-2018-2-96-103

6. Косиченко Ю.М., Баев О.А. Высоконадежные конструкции противофильтрационных покрытий каналов и водоемов, критерии их эффективности и надежности // Гидротехническое строительство. 2014. № 8. С. 18-25.

7. Беновицкий Э.Л. Вывод расчетных зависимостей для коэффициента шероховатости частично заросшего русла // Водные ресурсы. 1988. № 1. С. 68-74.

33 8. Хубларян М.Г., Фролов А.П., Зырянов В.Н.

сч 8 Моделирование водных потоков при наличии выс-со со шей водной растительности // Водные ресурсы. g § 2004. Т. 31. № 6. С. 668-674.

9. Huai W.X., Zhang J., Wang W.J., Katul G.G. щ „j Turbulence structure in open channel flow with partially к; ф covered artificial emergent vegetation // Journal of Hy-£ drology. 2019. Vol. 573. Pp. 180-193. DOI: 10.1016/j. о J jhydrol.2019.03.071

. »* 10. Nezu I., Sanjou M. Turburence structure and

^ 2 coherent motion in vegetated canopy open-channel с flows // Journal of Hydro-Environment Research. ~ f 2008. Vol. 2. Issue 2. Pp. 62-90. DOI: 10.1016/j. g | jher.2008.05.003

4 "g 11. Melis M., Poggi D., Giovanni, Fasanella O.D.,

° ® Cordero S., Katul G.G. Resistance to Flow on a Slop-

СЧ Q ^

z -.g ing Channel Covered by Dense Vegetation following a

от 2 Dam Break // Water Resources Research. 2019. Vol. 55.

~ § Issue 2. Pp. 1040-1058. DOI: 10.1029/2018wr023889

cl ° 12. BandurinM.A., Voloshukhin V.A., Vanzha V.V.

с

lo ° Technology for Water Economy Monitoring of Techo E nical State of Closed Drainage of Irrigation System // fe о Materials Science Forum. 2018. Vol. 931. C. 214-218.

- DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.931.214

ю "5= 13. BandurinM.A., YurchenkoI.F., Voloshukhin V.A.

от °

— 2 Remote Monitoring of Reliability for Water conveyance Э hydraulic Structures // Material Science Forum. 2018.

i- g Vol. 931. C. 209-213. DOI: 10.4028/www.scientific.

® EE net/msf.931.209

| — 14. Дэскэлеску Н. Рациональное распределение

¡3 -ц воды в оросительной сети. М. : Колос, 1982. 158 с. щ ¡¡> 15. ЛатышенковА.М. Каналы систем водоснабжения и ирригации. М. : Стройиздат, 1972. 153 с.

16. Чугаев Р.Р. Гидравлика. Л. : Энергоиздат, 1982. 672 с.

17. Косиченко Ю.М. Расчет коэффициентов шероховатости заросших русел каналов // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 1997. № 2. С. 75-80.

18. KoernerR.M., Hsuan Y.G., Koerner G.R. Lifetime predictions of exposed geotextiles and geomem-branes // Geosynthetics International. 2017. Vol. 24. Issue 2. Pp. 198-212. DOI: 10.1680/jgein.16.00026

19. AbdelRazek A.Y., Kerry Rowe R. Interface transmissivity of conventional and multicom-ponent GCLs for three permeants // Geotextiles and Geomembranes. 2019. Vol. 47. Issue 1. Pp. 60-74. DOI: 10.1016/j.geotexmem.2018.10.001

20. Prabakaran P.A., Sathyamoorty G.L., Adhi-mayan M. An experimental and comparative study on canal lining exploitation geo synthetic material, cement mortar and material lining // International Journal of Recent Technology and Engineering. 2019. Vol. 7. № 4S. Pp. 81-83.

21. Cen W., He H., Li D. Influence of geomem-brane defect on seepage property of earth-rock dams and measures of seepage control // Advances in Science and Technology of Water Resources. 2017. Vol. 37. Issue 3. Pp. 61-65. DOI: 10.3880/j.issn.1006-7647.2017.03.010

22. Koerner G.R., Koerner R.M. The durability of exposed geomembrane covers // Geotechnical Frontiers 2017. 2017. DOI: 10.1061/9780784480434.014

23. Sainov M.P., Zverev A.O. Workability of high rockfill dam with a polymer face // Magazine of Civil Engineering. 2017. № 7 (75). Pp. 76-83. DOI: 10.18720/MCE.75.7

24. SolskiyS.V., OrlovaN.L., VelichkoA.S. Crack self-healing in daysmen concrete diaphragm of embankment dam // Magazine of Civil Engineering. 2018. № 1. Pp. 3-12. DOI: 10.18720/MCE.77.1

25. Righetti M. Flow analysis in a channel with flexible vegetation using double-averaging method // Acta Geophysica. 2008. Vol. 56. Issue 3. Pp. 801-823. DOI: 10.2478/s11600-008-0032-z

26. Raki L., Beaudoin J.J., Alizadeh R. Nanotech-nology applications for sustainable cement-based products. Nanotechnology in Construction 3. Prague, Czech Republic, 2009. Pp. 119-124. DOI: 10.1007/978-3-642-00980-8_15

27. Mondal P., Shah S.P., Marks L.D. Nanome-chanical properties of interfacial transition zone in concrete. Nanotechnology in Construction 3. Prague, Czech Republic, 2009. Pp. 315-320. DOI: 10.1007/978-3-642-00980-8_42

28. Lau T.W., Afshar N.R. Effect of roughness on discharge // Journal of Civil Engineering, Science and Technology. 2013. Vol. 4. Issue 3. Pp. 29-33. DOI: 10.33736/jcest.124.2013

Поступила в редакцию 12 июня 2020 г. Принята в доработанном виде 7 июля 2020 г. Одобрена для публикации 31 июля 2020 г.

Об авторах: Юрий Михайлович Косиченко — доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник отдела гидротехнических сооружений и гидравлики; Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации (РосНИИПМ); 346400, г. Новочеркасск, пр-т Баклановский, д. 190; РИНЦ ID: 352994, Scopus: 6603198909, ResearcherlD: I-3701-2014, ORCID: 0000-0002-9648-6441; Kosichenko-11@mail.ru;

Олег Андреевич Баев — кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела гидротехнических сооружений и гидравлики; Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации (РосНИИПМ); 346400, г Новочеркасск, пр-т Баклановский, д. 190; РИНЦ ID: 699695, Scopus: 57196105439, ResearcherlD: L-6929-2016, ORCID: 0000-0003-0142-4270; Oleg-Baev1@yandex.ru.

REFERENCES

1. Altunin V.S. Reclamation channels in earthen channels. Moscow, Kolos, 1979; 255. (rus.).

2. Dolgushev I.A. Improving the operational reliability of irrigation canals. Moscow, Kolos, 1975; 136. (rus.).

3. Chow V.T. Open channel hydraulics / translation from English Cand. tech. Sciences I.V. Filimonova. Moscow, Stroyizdat, 1969; 464. (rus.).

4. Kosichenko Yu.M., Gurin K.G., Samoilen-ko A.V. Hydraulic efficiency of large canals of the North Caucasus. Water industry of Russia: problems, technologies, management. 2005; 7(4):378-391. (rus.).

5. Kosichenko Yu.M., Ugrovatova E.G. Increasing efficiency of operation large channels and substantiation of the form and hydraulic resistance of rusels of the polygonal section. Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2018; 2(198):96-103. DOI: 10.17213/0321-2653-20182-96-103 (rus.).

6. Kosichenko Yu.M., Baev O.A. Highly reliable structures of anti-seepage coatings of canals and reservoirs, criteria for their efficiency and reliability. Hydro-technical Construction. 2014; 8:18-25. (rus.).

7. Benovitsky E.L. Derivation of the calculated dependencies for the roughness coefficient of a partially overgrown channel. Water Resources. 1988; 1:68-74. (rus.).

8. Khublaryan M.G., Frolov A.P., Zyryanov V.N. Modeling water flow in the presence of higher vegetation. Water Resources. 2004; 31(6):668-674. (rus.).

9. Huai W.X., Zhang J., Wang W.J., Katul G.G. Turbulence structure in open channel flow with partially covered artificial emergent vegetation. Journal of Hydrology. 2019; 573:180-193. DOI: 10.1016/j.jhy-drol.2019.03.071

10. Nezu I., Sanjou M. Turburence structure and coherent motion in vegetated canopy open-channel flows. Journal of Hydro-Environment Research. 2008; 2(2):62-90. DOI: 10.1016/j.jher.2008.05.003

11. Melis M., Poggi D., Giovanni, Fasanella O.D., Cordero S., Katul G.G. Resistance to Flow on a Slop-

ing Channel Covered by Dense Vegetation following a Dam Break. Water Resources Research. 2019; 55(2):1040-1058. DOI: 10.1029/2018wr023889

12. Bandurin M.A., Voloshukhin V.A., Van-zha V.V. Technology for Water Economy Monitoring of Technical State of Closed Drainage of Irrigation System. Materials Science Forum. 2018; 931:214-218. DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.931.214

13. Bandurin M.A., Yurchenko I.F., Voloshukhin V.A. Remote Monitoring of Reliability for Water conveyance hydraulic Structures. Material Science Forum. 2018; 931:209-213. DOI: 10.4028/www.scientific. net/msf.931.209

14. Deskelescu N. Rational water distribution in the irrigation network. Moscow, Kolos, 1982; 158. (rus.).

15. Latyshenkov A.M. Canals for water supply and irrigation systems. Moscow, Stroyizdat, 1972; 153. (rus.).

16. Chugaev R.R. Hydraulics. Leningrad, Ener-goizdat, 1982; 672. (rus.).

17. Kosichenko Yu.M. Calculation of the roughness coefficients of overgrown canal channels. Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 1997; 2:75-80. (rus.).

18. Koerner R.M., Hsuan Y.G., Koerner G.R. Lifetime predictions of exposed geotextiles and geo-membranes. Geosynthetics International. 2017; 24(2): 198-212. DOI: 10.1680/jgein.16.00026

19. AbdelRazek A.Y., Kerry Rowe R. Interface transmissivity of conventional and multicomponent GCLs for three permeants. Geotextiles and Geomem-branes. 2019; 47(1):60-74. DOI: 10.1016/j.geotex-mem.2018.10.001

20. Prabakaran P.A., Sathyamoorty G.L., Adhi-mayan M. An experimental and comparative study on canal lining exploitation geo synthetic material, cement mortar and material lining. International Journal of Recent Technology and Engineering. 2019; 7(4S):81-83.

21. Cen W., He H., Li D. Influence of geomem-brane defect on seepage property of earth-rock dams

< П

iH

kK

G Г

0 CO § CO

1 O

У 1

J to

u -

^ I

n °

O 3

o о

=s (

о §

E w § 2

0) 0 SO 6

A CD

Г 6

an

0 )

н ®.

01 В

■ T

s у с о <D X , CO

2 2 О О 2 2 О О

Ig S

and measures of seepage control. Advances in Science and Technology of Water Resources. 2017; 37(3):61-65. DOI: 10.3880/j.issn.1006-7647.2017.03.010

22. Koerner G.R., Koerner R.M. The durability of exposed geomembrane covers. Geotechnical Frontiers 2017. 2017. DOI: 10.1061/9780784480434.014

23. Sainov M.P., ZverevA.O. Workability of high rockfill dam with a polymer face. Magazine of Civil Engineering. 2017; 7(75):76-83. DOI: 10.18720/MCE.75.7

24. Solskiy S.V., Orlova N.L., Velichko A.S. Crack self-healing in clay-cement concrete diaphragm of embankment dam. Magazine of Civil Engineering. 2018; 1:3-12. DOI: 10.18720/MCE.77.1

25. Righetti M. Flow analysis in a channel with flexible vegetation using double-averaging method.

Acta Geophysica. 2008; 56(3):801-823. DOI: 10.2478/ s11600-008-0032-z

26. Raki L., Beaudoin J.J., Alizadeh R. Nano-technology applications for sustainable cement-based products. Nanotechnology in Construction 3. Prague, Czech Republic, 2009; 119-124. DOI: 10.1007/978-3-642-00980-8_15

27. Mondal P., Shah S.P., Marks L.D. Nanome-chanical properties of interfacial transition zone in concrete. Nanotechnology in Con-struction 3. Prague, Czech Republic, 2009; 315-320. DOI: 10.1007/978-3-642-00980-8_42

28. Lau T.W., Afshar N. R. Effect of roughness on discharge. Journal of Civil Engineering, Science and Technology. 2013; 4(3):29-33. DOI: 10.33736/ jcest.124.2013

о о

N N О О

сч сч

со со К (V U 3

> (Л

с и

он in j

ф ф

Received June 12, 2020.

Adopted in a revised form on July 7, 2020.

Approved for publication July 31, 2020.

Bionotes: Yurij M. Kosichenko — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chief Researcher of the Department of Hydrotechnical Structures and Hydraulics; Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems; 190 Baklanovsky avenue, Novocherkassk, 346400, Russian Federation; ID RISC: 352994, Scopus: 6603198909, ResearcherlD: I-3701-2014, ORCID: 0000-0002-9648-6441; Kosichenko-11@mail.ru;

Oleg A. Baev—Candidate of Technical Sciences, senior researcher ofthe Department of Hydrotechnical Structures and Hydraulics; Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems; 190 Baklanovsky avenue, Novocherkassk, 346400, Russian Federation; ID RISC: 699695, Scopus: 57196105439, Researcher ID: L-6929-2016, ORCID: 0000-0003-0142-4270; Oleg-Baev1@yandex.ru.

О ё —■

о

о У

8 «

z ■ i

w «

со E

E о

CL° ^ с

ю о

s ц

о E со ^

T- ^

CO

со