Определение минимальной расчетной длины участка земляного русла канала с растительностью Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

УДК 626.82:502

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНОЙ РАСЧЕТНОЙ ДЛИНЫ УЧАСТКА ЗЕМЛЯНОГО РУСЛА КАНАЛА С РАСТИТЕЛЬНОСТЬЮ

© 2012 г. С.В. Фомин

Новочеркасская государственная Novocherkassk State

мелиоративная академия Meliorative Academy

Для улучшения качества оросительной воды и задержания донных наносов предлагается на каналах выполнять отдельные участки в земляном русле с растительностью. При определении минимальной расчетной длины таких участков используются необходимые формулы, полученные автором на основе уравнений гидравлики, а также экономический и экологический подходы.

Ключевые слова: канал; земляное русло; растительность; облицовка; уравнение; энергия; расчетный участок; коэффициент сопротивления; длина канала.

To improve the quality of irrigation water and sediment detention is proposed to carry out some parts of the channels in the earthen channel with vegetation. In determining the minimum design length of such sites using appropriate formulas, obtained by the author based on the equations of hydraulics, as well as the economic and ecological approach.

Keywords: channel; ground track; vegetation; facing the equation; the energy calculated plot; coefficient of resistance; length of the channel.

В настоящее время достаточно много разработано и опубликовано материалов по проектированию, строительству и эксплуатации мелиоративных каналов. Особо следует отметить научные работы С.Х. Абальянца, С.Ф. Аверьянова, О.М. Айвазяна, Т.А. Алиева, В.С. Алтунина, Н.Н. Веригина, Р.М. Горбачева, К.Г. Гурина, И.А. Долгушева, Э.В. Запорож-ченко, Ю.А. Ибад-Заде , А.В. Ищенко, Ц.Е. Колгано-ва, Ю.М. Косиченко, И.В. Кононова, Ц.Е. Мирцхула-ва, В.И. Ольгаренко, С.Н. Полубедова, С.А. Полякова, И.С. Румянцева, Е.К. Рабковой, В.Т. Чоу.

В этих работах рассмотрены вопросы по проблемам строительства и эксплуатации каналов, гидравлическому расчету облицованных и необлицованных русел, их надежности и эффективности, а также другие задачи.

Известно, что негативные процессы происходят на каналах как в земляном, так и в облицованном русле. Одним из таких процессов является зарастание. Однако отдельными учеными [1, 2] отмечается положительная роль растений при эксплуатации каналов.

Особое позитивное значение растениям отводится при очистке сточных вод. Самые современные очистные сооружения, на 85 - 90 % освобождая сточные воды от взвесей и органических загрязнений и частично от неокисленных неорганических веществ, практически не улавливают многие неорганические соединения, в том числе сульфаты и хлориды [3]. В связи с этим и в нашей стране, и за рубежом ведутся работы по доочистке от минеральных солей (третичной очистке) сточных вод после их биологической обработки на очистных комплексах.

Согласно СНиП 2.04.03-85, наиболее перспективной представляется доочистка сточных вод с помощью усовершенствованных биологических прудов, обезвреживание в которых осуществляется с помощью естественных агрегатов-организмов высших водных растений. По мнению специалистов ВОДГЕО, растительностью должна быть занята примерно 1/3 площади пруда, преимущественно в его головной зоне и частично в районе выпуска воды [3].

П.Г. Кроткевичем предложено для доочистки устраивать полосы из тростника шириной 20 - 50 м перпендикулярно руслу реки, расположенные на расстоянии 3 - 5 км друг от друга [4].

Время доочистки в биологических прудах указывается по-разному: от 4 - 8 ч [5] до 8 сут [6].

Научные разработки о влиянии растительности на каналах в США приведены в работе В.Т. Чоу [2]. Им отмечается, что наличие травы или иной растительности в каналах обусловливает значительную турбулентность потока, сопровождающуюся потерями энергии и затормаживанием. Трава делает устойчивым русло канала, укрепляет его, препятствует размыву поверхности и перемещению частиц грунта по его дну.

Из-за того, что растение не сразу развивается в канале, гидравлическое проектирование канала с травяным покровом в США складывается из двух этапов [2]:

1. Определяются условия устойчивости, т.е. определяются размеры канала при наинизшей степени затормаживания.

2. Определяются условия максимальной пропускной способности, т.е. рассчитываются глубины потока, необходимые для обеспечения максимального расхода.

Таким образом, из мирового и отечественного опыта следует, что оросительный канал целесообразно выполнять в облицовке с включением участка в земляном русле.

При размещении всего участка с растительностью в начале канала оросительная вода сразу проходит очистку от наносов и загрязняющих веществ, но подается со скоростью, которая не обеспечивает возможный пропускаемый расход по облицованному каналу.

При размещении участка в земляном русле с растительностью в конце оросительного канала, вода по облицованному пути будет проходить с большей скоростью, и, соответственно, с большим расходом, но не очищенная от всяких примесей.

С учётом вышеизложенного, предлагается оросительные каналы выполнять исходя из следующего эколого-экономического подхода.

Экологическая составляющая включает улучшение качества оросительной воды и меньшей заиленно-сти канала посредством включения в русло растительности, а экономическая - исходя из минимума затрачиваемых капиталовложений на строительство и эксплуатацию оросительного канала.

Это осуществляется выбором неоднородности русла канала (чередованием участков с облицовкой и земляным руслом по всей длине канала) и соответствующим экономическим обоснованием (сравнительным анализом общих затрат в случае совокупного размещения на канале участков в земляном русле и облицовке).

При неоднородном русле канала оросительная вода будет двигаться как по руслу с искусственной шероховатостью, теряя лишь небольшую часть своей энергии, частично очищаясь и обеспечивая заданную расчетную скорость. При этом наблюдается установившееся неравномерное медленно изменяющееся движение водного потока.

Рассмотрим определение длины участка канала с растительностью на основе применения известного в гидравлике уравнения. Для определения длины участков канала с растительностью (/рас), предполагая, что

все они одинаковы по протяженности, используем уравнение энергии

,1 aViZ

Z + — + - 1

У

2 g

Р2 aV22 = z2 + — + —— + h 2 У 2g

ъ 1-2

= z3 +-

aV32

у

+ h

ъ1-3

= ... = H = const.

Рассмотрим участок канала 1 - 3 (рисунок), где сечение 1 - 1 расположено в облицованном русле, начало участка в земляном русле с растительностью находится в сечении 2 - 2, а конец участка - в сечении 3 - 3.

Р1 aV12

У 2g

Р2 aV2 1

= z 2 + — + ^ + hM

У 2g

= z3 + — + -У

a V32

2g

+ hg

где ^, 212, - энергия положения (потенциальная

энергия);

PL, Р2, Р3

У 9 У 9 У

- энергия давления (потенци-

ч ^ у2 V,2 альная энергия); ——, , - кинетическая энер-

2Я 2Я 2Я

гия (живая сила); км - потерянная энергия при встрече водного потока с растительностью; кдд - потерянная энергия, т.е. механическая энергия, израсходованная на преодоление сопротивлений при движении по земляному руслу водного потока с растительностью от сечения 2 - 2 до сечения 3 - 3.

Расчетная схема

1

2

3

Решая поэтапно уравнение и принимая хх = \, = h2, 23 = Н3, 11 = 1м, получаем

Длину расчетного участка канала в земляном русле с растительностью определим исходя из следующих равенств:

^ =

V,2 - V32

l V 2

-^-(Ä3 -h2); h№ = '•

17,8 3 2 дл 4R 2g

или

17,8

2 'LV

-(h3 -h2) = ■

V1 - V3 tu и \ _ '">(/3

откуда

8gR

-рас

V2 - V2

—-^ - (h3 - h2)

17,8 3 2

'V2

2 .

где g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с R - гидравлический радиус; X - коэффициент сопротивления, находится по формуле Х = 8gn2 /R1/3 ; п -

коэффициент шероховатости канала в земляном русле с растительностью, определяемый по табличным значениям [7].

Число участков канала с растительностью находится как N = Lрас / 1рас , где Lрас - общая длина канала в земляном русле, установленная экономическим расчетом.

Общая длина канала в земляном русле также может быть определена исходя из экологического подхода к решаемой задаче.

Для этого следует воспользоваться формулой, полученной Н.И. Турянской [8] для определения площади создаваемых насаждений высшей водной растительности:

F = 8B

зар — зар

h3ap Rg

' V2 зар зар

°ТКуда LраC = ^зар!Хзар , где Хзар - периметр ^ЭЛ^

на котором размещается растительность.

Выводы

При строительстве и реконструкции оросительных каналов в целях очистки воды и задержания донных наносов следует выполнять отдельные участки канала в земляном русле с растительностью. Для сохранения установившегося неравномерного медленно изменяющегося движения водного потока эти участки должны быть равны по протяженности и находиться на одинаковом расстоянии друг от друга по всей длине канала.

Литература

1. Косиченко Ю.М. Каналы переброски стока России. Новочеркасск, 2004. 470 с.

2. ЧоуВ.Т. Гидравлика открытых каналов. М., 1969. 464 с.

3. Об очистке сточных вод макрофитами и альгофлорой // Водные ресурсы. 1976. № 5. С. 185 - 190.

4. Кроткевич П.Г. К вопросу использования водоохранно-очистных свойств тростника обыкновенного // Водные ресурсы. 1976. № 5. С. 191 - 197.

5. Комиссаров С.В., Шапошникова В.А. Очистка шахтных вод с помощью высших водных растений // Водные ресурсы. 1976. № 5. С. 198 - 204.

6. Кравец В.В. Интенсификация процессов доочистки и обеззараживания сточных вод в биологических прудах и их санитарная оценка // Водные ресурсы. 1976. № 5. С. 205 - 209.

7. СНиП 2.06.03-85. Мелиоративные системы и сооружения / Государственный комитет СССР по делам строительства. М., 1986. 58 с.

8. Турянская Н.И. Экология регулирования гидравлических и биологических факторов малых естественных и искусственных водотоков Юга России : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Ростов н/Д., 1999. 24 с.

Поступила в редакцию 31 января 2012 г.

Фомин Сергей Владимирович - аспирант, Новочеркасская государственная мелиоративная академия. Тел. 8-863-57-3-00-13.

Fomin Sergey Vladimirovich - post-graduate student, Novocherkassk State Meliorative Academy. Ph. 8-863-57-3-00-13.