5. Проектирование хозяйственных мероприятий
5.1. Общие положения
Проведение охранных и рекультивационных мероприятий позволяет улучшить режим и состояние реки. Этими мероприятиями одновременно повышается и хозяйственная отдача реки, но следует иметь в виду, что у каждой реки ограниченные ресурсы. Поэтому использованию подлежат лишь ежегодно возобновленные ресурсы. Нельзя использовать реку так, чтобы в другом месте она оказалась в положении худшем, чем создана природой. На решение вопросов рационального использования ресурсов малой реки и направлены хозяйственные мероприятия. Это те мероприятия, которые нужны не реке, а человеку и они должны учитывать все особенности режима реки и не противоречить охранным и рекультивационным мероприятиям (быть совместимыми с ними).
Наиболее полный перечень хозяйственных мероприятий на средних и малых реках приведен в [1]. При выполнении практических заданий студенты проектируют либо пойменную копать для регулирования стока (аккумулирование воды в половодье), либо одно из мероприятий, реализация которых связана с проектированием и строительством подпорного сооружения - водоподъемной плотины. Это: создание в пределах русла сезонных хозяйственных, рекреационных и пожарных водоемов; влагозарядковые и вегетационные принудительное затопление пойменных массивов (пойменные лиманы с регулируемым затоплением); увлажнение корнеобитаемого слоя почвы на пойме путем подпора уровня грунтовой воды с помощью водоподъемной плотины; улучшение условий для нереста полупроходных и туводных видов рыб (создание нерестилищ).
5.2. Пойменная копань
Пойменная копань предназначена для регулирования речного стока путем аккумуляции воды в период половодья с целью хозяйственного использования ее в межень.
Строительство пойменных копаней само по себе не может улучшить режим и состояние реки, но реализуемое взамен прудов в среднем и нижнем течении реки, оно способствует как рациональному использованию водных ресурсов, так и осуществлению рекультивационных (восстановительных, стимулирующих восстановление) мероприятий.
5.2.1. Выбор створа забора воды и участка поймы под копань
Для разработки пойменных копаней используются малопродуктивные земли поймы, старицы, ерики, отторгнутые рукава русла и т.п. Схема устройства копани приведена на рисунке 5.1.
Рисунок 5.1 – Пойменная копань
1 – переливной порог (водозабор); 2 – подводящий канал;
3 – сопрягающее сооружение (быстроток); 4 – копань;
5 – регулирующая дамба; 6 – оросительная сеть.
С топографического плана, который входит в комплект исходных материалов, делается выкопировка участка поймы в районе заданного по руслу поперечника на обоих берегах реки. Выбираются наиболее низкие отметки поймы для размещения копани. Копань располагают поперек речной долины и ее длина может занимать всю ширину пойменного массива. Такое расположение копани уменьшает ее заиление; ширина определяется особенностями рельефа участка, но не рекомендуется делать широкие копани, т.к. при затоплении поймы возможно образование на бровке откоса значительного перепада уровней, который вызовет обрушение бровки. В плане копань не обязательно должна быть прямолинейной. Если по условиям размещения копани она занимает, вдоль реки значительное расстояние (более 100 м), то ее следует защитить от транзитного русло-пойменного потока дамбой обвалования (см. рисунок 5.1).
Рекомендуемые
размеры копани: длина
не более 300 м, ширина
- 30-70 м, глубина
не более 5-7 м.
После
того, как приняты и оконтурены внешние
границы копани и ее глубина, проводится
трасса подводящего канала от заданного
створа реки и измеряется ее длина
.
Копань
в поперечном сечении представляет собой
трапецию с заложением откосов,
обеспечивающих их устойчивость при
принятой глубине, известном составе
грунтов поймы и их фильтрационных
свойств. Рекомендуется коэффициент
заложения откосов копани принимать
2,0. Тогда ширина копани по дну будет:
,
(5.1)
а длина копани:
.
(5.2.)
Для
створа реки в месте забора воды в копань
строится поперечный профиль русла
(рисунок 5.2). Это может быть запроектированное
расчищенное русло или естественное
русло, если по условиям рекультивации
расчистка не предусмотрена. Поперечный
профиль служит основой для построения
кривой расходов воды
.
Расход вычисляется по формуле Шези при
известном фактическом (или проектном)
уклоне водного потока и вычисленной
площади поперечного сечения русла для
соответствующего уровня воды:
,
(5.3)
где
;
;
0,03-0,05.
а - поперечник русла; |
б – график зависимости |
Рисунок 5.2 – Поперечный профиль русла реки в створе забора воды
в копань и его кривая расходов
Для
построения кривой необходимо вычислить
3-4 значения расхода при различных уровнях
воды от дна русла до пойменной бровки.
Пример зависимости
показан на рисунке 5.2,
б.
Для предварительной оценки емкости копани с принятыми размерами, принимаем расчетную глубину воды в копани на 1 м ниже строительной ее глубины:
(5.4)
Полный объем копани:
.
(5.5)
Коэффициент регулирования стока половодья копанью (коэффициент емкости копани):
(5.6)
где
-
объем весеннего стока реки, обеспеченностью
75 % (принимается из гидрологической
записки в исходных материалах проекта).
При
0,2
следует уменьшить размеры копани, обычно
уменьшают ее длину и повторяют расчет.
При
0,01
по возможности, с учетом особенностей
рельефа участка, увеличивают размеры
копани. Иногда такое увеличение бывает
невозможным и тогда оставляют ранее
принятые размеры.
5.2.2. Расчет сооружений копани
При выполнении этой части работы необходимо:
- установить расчетный расход наполнения копани;
- запроектировать подводящий канал в земляном русле;
- принять отметку переливного порога и определить характерные уровни воды в копани: НУК – нормальный расчетный уровень; ФУК – форсированный уровень;
- рассчитать потери напора при входе потока в канал и установить отметку уровня воды, при которой гарантировано наполнение копани за расчетный период.
Расчетная схема – продольный профиль по трассе подводящего канала приведена на рисунке 5.3.
Рисунок 5.3 – Продольный профиль по трассе подводящего канала
и сооружениями копани.
Время
наполнения копани принимается из
условия, что скорость подъема уровня
при наполнении не будет превышать 2
м/сут.; этому соответствует
2
– 3 суток. Тогда расход подводящего
канала
,
(5.7)
где
-
объем копани, тыс. м3.
Канал рассчитывается на равномерный режим течения при незаиляющей скорости, чтобы уклон канала был наименьшим. Эта скорость вычисляется по эмпирической зависимости [11]:
(5.8.)
где 0,44 - для суглинистых грунтов.
Ширина
канала по дну принимается стандартной
и определяется типом каналокопателя:
0,6; 0,8; 1,0 м.
Заложение
откосов принимается в зависимости от
характеристики грунтов по трассе канала;
для суглинистых грунтов
1,5.
Расчетные зависимости для вычисления размеров канала и его гидравлических характеристик:
-
площадь «живого» сечения потока
;
-
глубина воды в канале
находится из уравнения
при известных,
,
и
;
-
уклон дна канала
,
где
,
;
;
п = 0,04 (канал работает периодически и подвержен зарастанию).
Переливной бетонный порог устраивается на 0,7-1,0 м ниже бровки пойменного берега и не должен быть ближе к средней отметке дна реки менее чем на 1,0-1,5 м, т.е.:
(5.9)
Переливной порог работает как подтопленный водослив с широким порогом и потери напора на входе определяются из зависимости:
(5.10)
где
- коэффициент бокового сжатия (
=0,80);
-
коэффициент скорости (
=0,90);
-
коэффициент, учитывающий угол отвода
потока от русла
( =0,85-0,90).
Тогда отметка уровня воды в реке, при которой обеспечивается расчетное наполнение копани, будет равна:
(5.11)
С
кривой расходов (см.рисунок 5.2,б)
по найденной отметке
определяем расход воды в реке
и ориентировочно устанавливаем его
обеспеченность по известным обеспеченностям
максимальных расходов половодья.
За отметку нормального уровня воды в копани (НУК) принимаем отметку дна в конце подводящего канала и тогда:
(5.12)
Отметка форсированного уровня:
,
(5.13)
где - глубина воды в канале.
Уточненная глубина воды в копани:
.
(5.14)
Уточненный объем воды в копани вычисляется по формуле (5.5) и коэффициент регулирования стока – по формуле (5.6).
5.2.3. Водохозяйственая оценка копани
Объем воды для хозяйственного использования определяют с учетом потерь на испарение с водной поверхности:
,
(5.15)
где - слой испарения, мм.
.
(5.16)
Площадь, которую можно оросить из запроектированной копани:
(5.17)
где
-
средневзвешенная оросительная норма
для возделываемых на пойме или надпойменной
террасе культур (
=2,0-2,5
тыс.м3);
=
0,95 (коэффициент полезного действия
закрытой оросительной сети).
5.2.4. Конструирование сооружений копани
Примеры оформления плана и чертежа конструкций сооружений копани приведены на рисунках 5.4 и 5.5.
Периливной
порог выполняется в виде железобетонной
диафрагмы с отверстием по размерам
подводящего канала. Отметка верха
диафрагмы принимается на 0,2 м выше
отметки бровки канала:
,
где
=
0,2-0,3 м. Толщина диафрагмы – 0,25 – 0,30 м.
Основание ее на 1 м ниже отметки порога.
Перед диафрагмой устраивается крепление
из каменного мощения или ж.б. плит,
толщиной 0,1 – 0,15 м; длина крепления не
менее
и не менее 2-х метров. За диафрагмой также
крепится участок канала на длине не
менее 2 – 3 м плитами или каменной
наброской толщиной
0,2
– 0,3 м; в конце крепления устраивается
каменный зуб глубиной не менее 0,5 м.
Участок канала при входе в копань крепится плитами на длине не менее 2-х м, и это крепление сопрягается с лотком быстротока, расположенном на откосе копани. В начале крепления устраивается каменный зуб. Переход откосов канала в откос копани выполняется в виде конусов, укрепленных гравийно-щебеночным покрытием 0,10 – 0,15 м или железобетонными плитами.
Лоток быстротока выполняется либо железобетонным с шириной, равной ширине дна канала и высотой стенок не менее 0,2 м, либо из каменного мощения в виде желоба по откосу копани (рисунок 5.6). Нижняя часть лотка сопрягается с каменным зубом, глубиной не менее 0,5 м. Чертеж выполняется без искажения масштабов, допускаются разрывы сечений по длине подводящего канала и по длине копани. Оформление чертежа – в соответствии с ГОСТ 2.305-82.
Рисунок 5.4 – План сооружений копани
Рисунок 5.5 – Разрезы по сооружениям копани
Рисунок 5.6 – Сечение лотка быстротока из каменной наброски.