CC BY
39
УДК 631.616:621.72.00157
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЬДЕРНЫХ СИСТЕМ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Н. М. КАЩЕНКО
Балтийский федеральный университет им. И. Канта, г. Калининград, Россия, 236015
В. П. КОВАЛЕВ
ООО «Бюро мелиоративных технологий», г. Калининград, Россия, 236015, e-mail: bmt. [email protected]
В. В. ВАСИЛЬЕВ
УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия», г. Горки, Республика Беларусь, 213407
(Поступила в редакцию 08.10.2018)
Анализ многолетних системных экспериментальных исследований, проведенных на польдерных системах Неманской низменности, и результатов численных экспериментов позволил сформулировать основные принципы расчета и проектирования реконструкции действующих и строительства новых польдерных систем, обеспечивающих соответствующую расчетным значениям работу дренажа польдерных систем на всем массиве систем при применении в сельскохозяйственном производстве многопольного севооборота. Выбор типа многопольного севооборота польдерной системы и ее конструктивное исполнение осуществлялся на основе оценки экономической целесообразности его использования. Равномерность осушения массива системы достигается путем введения в параметры каналов проводящей сети объемов добегания дренажного стока от составляющих водосбор польдерной системы дренажных систем к створу насосной станции, рассчитываемых с использованием адаптированного к топологии польдерной системы интеграла Дюамеля. Математическая модель польдерной системы состоит из уравнений, описывающих работу отдельных элементов польдерной системы, и включает уравнения фильтрации грунтовых вод, уравнения течения воды в дренах и уравнения течения воды в канале. Проведение реконструкции действующих польдерных систем, с учетом определения типа многопольного севооборота, размеров площади отдельных полей севооборотов, основанных на данных фактических значений модулей дренажного стока систем, даст возможность минимизировать затраты при эксплуатации польдерных систем.
Ключевые слова: польдерная система, равномерность осушения, математическая модель.
The analysis of long-term systemic experimental studies conducted on the Neman lowland polder systems and the results of numerical experiments made it possible to formulate the basic principles for calculating and designing the reconstruction of existing and building new polder systems that ensure the drainage work of polder systems, corresponding to the calculated values, on the entire array of systems used in agricultural production of multi-field crop rotation. The choice of the type of multi-field crop rotation of the polder system and its design was carried out on the basis of an assessment of economic feasibility of its use. Uniform drainage of the array of the system is achieved by introduction into the parameters of conductive network channels of the volumes of additional drainage flow from the catchment polder system of drainage systems to the gates of the pump station, calculated using the Duhamel integral adapted to the topology of a polder system. A mathematical model of a polder system consists of equations describing the operation of individual elements of a polder system, and includes the equations for filtering groundwater, the equations for the flow of water in drains, and the equations for the flow of water in a channel. The reconstruction of existing polder systems, taking into account the determination of the type of multi-field crop rotation, the size of the area of individual crop rotation fields, based on the data of actual values of the systems drainage flow modules, will make it possible to minimize the costs of operating polder systems.
Keywords: polder system, drainage uniformity, mathematical model.
Введение
Применение польдерных систем связано с сельскохозяйственным освоением безуклонных и малоуклонных территорий, находящихся в затопленном или подтопленном состоянии. Эффективность работы польдерных систем определяется работой насосной станции, позволяющей более корректно, по положению уровней грунтовых вод и влажности почвы массива осушения, управлять откачкой дренажного стока. В Калининградской области на Неманской низменности из 74 тысяч гектаров польдерных земель 32 820 га осушено закрытым дренажем.
Общей тенденцией развития проектирования и строительства польдерных систем, которая прослеживается и в настоящее время, является уменьшение площади массивов осушения и увеличение удельной производительности насосных станций [1, 3-5].
Проектирование дренажа польдерных систем Неманской низменности осуществлялось для выращивания трав для производства травяной муки. Смена структуры сельскохозяйственного производства обусловливает использование многопольного севооборота и предполагает перестроение топологии систем, выделение полей многопольного севооборота в индивидуальные объекты с.-х. производства со своими водорегулирующими гидротехническими сооружениями.
Основная часть
Системные экспериментальные исследования работы польдерных систем Неманской низменности проводились на польдерных системах 15, 20,29,35,36,41,46 и на экспериментально-производственных участках «Шиповский» и «Аксеново» (польдерная система нс116а).
Проведенные системные экспериментальные исследования работы действующих систем Неман-ской низменности показали наличие характерной для них неравномерности осушения массива, которая приводит к снижению эффективности работы дренажа, ориентировочно до 35^40 %, и снижению на такую же величину эффективности использования вложенных в строительство средств [1, 3-5].
Исследования работы дренажа на экспериментальных системах двустороннего действия «Шипов-ский» и «Аксенове»» показали, что фактические значения модулей дренажного стока Чдр.факт. =1.6-2.51л/с-га выше их проектных значений qдp.фaкт. =1.1-1.2л/с-га. Эффективность работы дренажа польдерных систем Белорусского Полесья характеризуется величиной модуля дренажного стока в пределах qдp.фaкт. = 0.6-1.55 л /с -га для нагрузок на системы в виде осадков весеннего периода в размере кж = 250мм, можно охарактеризовать по зависимости модуля откачки от площади массива осушения в виде зависимости [2]:
^.^.-пз^63. (1)
Дренаж польдерных систем является основным элементом систем как по назначению, так и по стоимости, около 75 % стоимости системы. Поэтому исходной задачей расчета и проектирования польдерных систем и проектирования реконструкции действующих систем, является обеспечение эффективности работы дренажа, соответствующей его проектным значениям.
Анализ многолетних системных экспериментальных исследований, проведенных на польдерных системах Неманской низменности и результатов численных экспериментов позволил сформулировать основные принципы расчета и проектирования реконструкции действующих и проектирования новых польдерных систем, обеспечивающих соответствующую расчетным значениям работу дренажа польдерных систем на всем массиве систем без исключения при применении в сельскохозяйственном производстве многопольного севооборота [1-8]:
выбор типа многопольного севооборота, определяющего величину расчетного значения модуля дренажного стока ддр расч польдерной системы и ее конструктивное исполнение (осушительная, осу-
шительно-увлажнительная, с применением орошения дождеванием), осуществляется на основе оценки экономической целесообразности его использования;
равномерность осушения массива достигается обеспечением непосредственной гидравлической связи отдельных составляющих массив осушения, дренажных систем со створом насосной станции путем учета в параметрах каналов объемов добегания стока, рассчитываемых с использованием адаптированного к топологии польдерной системы интеграла Дюамеля;
построение топологии польдерной системы - это размещение на массиве осушения в плане и профиле составляющих систему элементов для расчета их параметров с учетом выбранного типа многопольного севооборота и принятой технологии сельскохозяйственного производства;
проведение расчета параметров, составляющих водосбор польдерной системы дренажа элементов только в нестационарном, динамическом режиме их работы с использованием методов и зависимостей, наиболее полно и точно характеризующих процессы фильтрации влаги в почве и расчет открытых каналах с использованием трехмерного многофазного приближения;
проведение реконструкции действующих польдерных систем, определение типа многопольного севооборота, размеров площади отдельных полей севооборотов основывается на данных фактических значений модулей дренажного стока систем ддр.факт., определяемых экспериментальным путем.
Математическое моделирование является реализуемым средством расчета параметров польдерных систем, позволяющим одновременно и с необходимой детализацией рассчитывать параметры всех составляющих польдерную систему элементов с учетом физических процессов формирования стока, определяющих взаимосвязанность их работы.
Математическая модель польдерной системы состоит из уравнений, описывающих работу отдельных элементов польдерной системы, и включает уравнения фильтрации грунтовых вод, уравнения течения воды в дренах и уравнения течения воды в канале [4-6, 8]:
Течение воды в канале описывается системой уравнений Сен—Венана и имеет вид:
дГ Т^дГ дИ <2\<2\ п
— + ¥— + г — + — + = 0
Э* дх дх Ж ©2
, (2)
дЖ 56
<3^ дх
з
где: 0(х.!) - расход воды, м /с. О У-УУ: И(х,!) - уровень поверхности воды, м. И И(Ж,х); с(х,!) -боковой приток, м2/с; g - ускорение свободного падения, м/с2; ®к = 1¥СкЛ1к - модуль расхода кана-
ла, м3/с; Ск - коэффициент Шези для канала, м1/2/с; т ~ / 6 показатель степени, опреде-
ленный поз экспериментальным данным; Птр - коэффициент трения, для открытых каналов п е [0.02;0.03]; Як - гидравлический радиус канала, м.
Уравнение течения воды в дрене описывается уравнением Коновалова-Петрова в виде:
- гЧО* + 1 '
где: - площадь сечения дрены, м2; а - коэффициент неравномерности продольной скорости; II/
3/
ду 0
, м ; а - коэффициент
- гидравлический радиус дрены, м; = м>Са а - модуль расхода дрены, м/с; С - коэффициент
ь
Шези для дрены, м1/2/с; (Л/ - суммарный сток воды на отрезке [у; Ь]; Ос/ = ^(у)с1у', Ь - длина дрены
2 лКф
м; д - фильтрационный приток; £/ = ——— (Н - /?,.). Н - уровень грунтовых вод, м; Ф - фильтрацион-
^ ^ ^ л 1 , ,
ные сопротивления на входе в дрену; Ф=Ф0+ Ф,; Ф, = — 1п — 1п--фильтрационные сопротив-
л с1а Ал5
ления, обусловленные несовершенством конструкции дрены и формой входных отверстий; а^ -диаметр дрены, м; Фа - фильтрационные сопротивления, определяемые граничными условиями фильтрации; 8 - длина гончарной трубки, м; 5 - толщина водоприемного отверстия между дренажными трубками, м.
Фильтрация грунтовых вод в насыщенной зоне описывается квазилинейным двухмерным нестационарным уравнением капиллярной модели:
" г)Н НГ "
= у( +
И а иа-кьа ^ , (4)
ди, . . —
&
где: х - размерная координата, направленная вдоль канала, м; у - размерная координата, направленная перпендикулярно каналу, м; Н - уровень грунтовых вод, м; ¡л0 - коэффициент водоотдачи; ¿/г - диаметр капилляров, м; //, - относительный объем капилляров диаметром с!,: Кф(г) - скорость фильтрации в зависимости от уровня г, м/с; ^ - расстояние между дренами, м; к - коэффициент «ви-сячести»; Т - водопроводимость водоносного горизонта, м2/сут; //, - уровень воды в капиллярах диа-
тт , тт_ тт
метром м; - у —И-1; Уы - скорость капиллярного подъема в капиллярах диаметром
ны
м/с; Нш - высота капиллярного подъема в капиллярах диаметром с!,, м.
Для капилляров диаметром с! для воды с / = 20°С: Уа = 1.5-105-с11,Нм = 3■ 1 (Г7б/.
Для этого уравнения граничные условия задаются на границах области интегрирования в виде ну-
дн
левых потоков -= и, где п - координата, перпендикулярная к границе.
дп
Равномерность осушения массива системы достигается путем введения в параметры каналов проводящей сети объемов добегания дренажного стока от составляющих водосбор польдерной системы дренажных систем к створу насосной станции, обеспечивающее непосредственную гидравлическую связь каждой отдельной дренажной системы со створом насосной станции.
Объемы добегания рассчитываются с использованием интеграла Дюамеля, адаптированного для топологии польдерной системы:
ЦТ =а р т ЦТ =\лту № =\ЛШ
&ч.плл Чдр.сл др.сл вп.кан.к / , вл.пллк^ вл.польд / , вп.кан.к У /
•к к
где: Цдр с1 - модуль стока, принятый для расчета дренажа, м/с, Рд с1 - площадь единичной дренажной системы, м2, г; - время добегания от единичной дренажной системы к створу насосной станции, с, ¡к, - множество номеров дренажных систем, подсоединенных к к-му каналу.
Характерное время польдерной системы, 1пс = гтах = Лтах / Утпх, определяет время снижения напоров на дренаже до горизонтов его заложения, задавая режим его работы и, как следствие, параметры дренажа: глубину заложения, диаметр и расстояние между дренами.
Расчет параметров и производительности насосной станции осуществляется с учетом объема каналов проводящей сети Жкан, принятого расчетного значения модуля дренажного стока Цдр расч и геологического сложения профиля канала.
Производительность насосной станции определяется как сумма:
Я пс = Я кап + <2ор = Кон 1 + ЧорРпс , (6)
где: Укан - объем канала от поверхности почвы до минимального горизонта откачки, м3; *ис - характерное время польдерной системы, с; ддр - расчетный модуль дренажного стока; Рпс - площадь осушаемого массива, га.
Численные эксперименты расчета параметров польдерной системы осуществлялись для топологии польдерной системы, приведенной на рис.1. Характеристика дренажа принимались в соответствии с ранее использованными данными [6].
Рис.1. Топология польдерной системы, использованной в численных экспериментах при расчете эффективности ее работы для плотности проводящих каналов Ькш = 12,3 м/га
Рассчитанные значения эффективности работы дренажа, полученные для топологии систем, приведенных на рис. 2 в численных экспериментах исследования работы дренажа систем с размерами площадей осушения 1<пс = 1000,2000,3000,4000га плотностью сети каналов проводящей сети
Ькан =12.3 — 30.93м/га, для значений коэффициентов фильтрации почв осушаемого массива Кф =1.25 м/сут. Параметры каналов польдерных систем рассчитывались с учетом объемов добега-ния стока, определяемых с учетом зависимости (5).
Интенсивность снижения уровней грунтовых вод,!, см/сут.
»
ъ
1 )
)
6.0 12.0
18.0 24.0 30.0 36.0 42.0 Расстояние между лоенами Е м
Рис. 2. Рассчитанные значения эффективности работы дренажа, полученные для топологии систем, приведенных на рис. 1
Полученные данные численных экспериментов показывают, что при выполнении условия учета в параметрах каналов польдерных систем объемов добегания стока, рассчитываемых соотношением (5), интенсивность снижения уровней грунтовых вод на осушаемом массиве определяется только величиной коэффициента фильтрации почвы. Этот результат подтверждает возможность получения задаваемой требованиями к регулированию водного режима выращиваемых сельскохозяйственных культур эффективности работы польдерной системы.
Заключение
1. Выбор типа многопольного севооборота, определяющего величину расчетного значения модуля дренажного стока ддр расч р польдерной системы и ее конструктивное исполнение (осушительная,
осушительно-увлажнительная, с применением орошения дождеванием), осуществляется на основе оценки экономической целесообразности его использования.
2. Равномерность осушения массива достигается обеспечением непосредственной гидравлической связи отдельных составляющих массив осушения дренажных систем со створом насосной станции путем учета в параметрах каналов объемов добегания стока, рассчитываемых с использованием адаптированного к топологии польдерной системы интеграла Дюамеля.
3. Построение топологии польдерной системы - это размещение на массиве осушения в плане и профиле составляющих систему элементов для расчета их параметров с учетом выбранного типа многопольного севооборота и принятой технологии сельскохозяйственного производства.
4. Проведение расчета параметров, составляющих водосбор польдерной системы дренажа элементов только в нестационарном, динамическом режиме их работы с использованием методов и зависимостей, наиболее полно и точно характеризующих процессы фильтрации влаги в почве.
5. Проведение реконструкции действующих польдерных систем, определение типа многопольного севооборота, размеров площади отдельных полей севооборотов основывается на данных фактических значений модулей дренажного стока систем ддрфакт , определяемых экспериментальным путем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Филатов, В. А. Особенности стока на зимних польдерах Неманской низменности Калининградской области / В. А. Филатов // Конструкция и использование польдерных систем: сб. тр. ЛитНИИГиМ. - Елгава: Госиздат, 1981. - С. 5062.
2. Галковский, В. Ф. Гидрологический режим польдеров Белорусского Полесья / В. Ф. Галковский // Конструкция и использование польдерных систем: сб. тр. ЛитНИИГиМ. - Елгава: Госиздат, 1981. - С. 41-79.
3. Филатов, В. А. Особенности работы незатапливаемых польдерных систем Калининградской области / В. А. Филатов, В. П. Ковалев, В. И. Лобан // Эксплуатация мелиоративных систем и использование мелиоративных земель: сб. тр. ЛитНИИГиМ. - Елгава: Госиздат, 1987. - С. 61-71.
4. Ковалев, В. П. Расчет параметров линейных польдерных систем / В. П. Ковалев // Мелиорация переувлажненных земель. - 2005. - №2(54). - С.64-83.
5. Кащенко, Н. М. Расчет линейных польдерных систем / Н. М. Кащенко, В. П. Ковалев // Проблемы устойчивого развития мелиорации и рационального природопользования: материалы юбилейной междун. конф. - М., 2007. - С. 195-200.
6. Кащенко, Н. М. Моделирование работы линейных польдерных систем. Приведение польдерной системы к линейному виду / Н. М. Кащенко, В. П. Ковалев, В. В. Васильев // Вестник БГСХА. - 2013. - № 4. - С. 108-112.
7. Кащенко, Н. М. Анализ применимости уравнения потенциала для моделирования работы дренажных систем / Н. М. Кащенко // Информационно-вычислительные технологии и их приложения: XI Междун. науч.-техн. конф. (МК-42-9). -Пенза, 2009. - С. 138-142.
8. Кащенко, Н. М. Моделирование работы линейных польдерных систем. Расчет переноса влаги в междренной полосе / Н. М. Кащенко, В. П. Ковалев, В. В. Васильев // Вестник БГСХА. -2014. - № 1. - С. 131-135.
