Потери воды и к. П. Д. Каналов

Потери воды из каналов складываются из потерь на фильтра­цию и испарение и различного рода эксплуатационных утечек (сбросы, утечки через сооружения и др.). В необлицованных кана­лах преобладают потери на фильтрацию, а на испарение обычно теряется не более 2—4% потерь на фильтрацию.

Фильтрационные потери в первую очередь зависят от водопро­ницаемости грунта, которая характеризуется коэффициентом филь­трации k_ф или коэффициентом капиллярной водопроницаемости k_в (при влажности W). Потери на фильтрацию увеличиваются при увеличении глубины наполнения и периметра канала и уменьшают­ся с повышением уровня грунтовых вод. По мере увеличения срока службы каналов фильтрация из них уменьшается вследствие естес­твенной кольматации и уплотнения ложа каналов. В каналах пери­одического действия потери значительно больше, чем в каналах длительного действия.

Фильтрацию из каналов разделяют на свободную и подпорную. В обоих случаях движение фильтрационных вод может быть уста­новившимся и неустановившимся.

Ниже приводятся основные зависимости для определения фильтрационных потерь воды из каналов.

Свободная фильтрация при установившемся режиме. Свобод­ная фильтрация наблюдается при сравнительно глубоком залега­нии уровня грунтовых вод, когда гидравлический градиент с доста­точной точностью можно принимать равным единице.

При свободной фильтрации фильтрационные потери обычно оп­ределяют по формуле:

Q_потери = k_ф l(В + 2h), (36)

где k_ф— коэффициент фильтрации грунта;

l — длина канала;

B — ширина живого сечения поверху;

h— глубина воды в канале.

Формула (36) получена Н. Н. Павловским путем гидромехани­ческого решения задачи о фильтрации воды из канала криволиней­ного сечения (очерченного по трахоиде) при бесконечно глубоком залегании водоупора.

Задача о фильтрации из каналов трапецеидального сtчения была решена В. В. Ведерниковым. Он получил зависимость:

Q_потери = k_ф l (В + Аh), (37)

где величина А зависит от m и .

Формулы (36) и (37) не учитывают движения воды в капиллярной зоне (рис. 59) и возможного наличия защемленного воздуха в зоне полного насыщения. Поэтому С. Ф. Аверьянов предложил пользоваться формулой:

Q_потери = k_в l (1 + 0,5 ) (В + 2h), (38)

где H_k — максимальная высота капиллярного поднятия для данного грунта.

Коэффициент капиллярной водопроницаемости определяется опытным путем (как скорость установившегося впитывания) или по формуле:

k_в =k_ф (1- )^3,5 (39)

где n— полная порозность грунта;

Wo— наименьшая влагоемкость по С. И. Долгову или максимальная молекулярная влагоемкость по А. Ф. Лебедеву;

p—содержание воздуха в почвогрунте при полной влагоемкости.

Величины п, Wo и р подставляют в формулу (39) в процентах объема грунта, а устанавливают их по результатам полевых наблюдений.

Рис. 59. Свободная фильтрация при установившемся (а) и неустановив­шемся (б) режимах:

— капиллярная кайма; 2 — сильно проницаемый слой.

Приведенные выше зависимости справедливы только для одно­родных грунтов и не могут учитывать действительных геологичес­ких условий и естественную кольматацию русла каналов. Во мно­гих случаях потери получаются более близкими к действительным при расчете по эмпирическим зависимостям А. Н. Костякова, уста­новленным на основании обобщения опытных материалов.

По А. Н. Костякову относительные потери (% на 1 км длины канала):

σ=

где Q — расход канала, м³/с.

Коэффициент А и показатель степени зависят от вида грунта: для тяжелых грунтов A=0,7 и m=0,3, для средних A = 1,9 и m=0,4, для легких A=3,4 и m=0,5.

Абсолютная величина потерь (м³/с):

Q_потери = .

Свободная фильтрация при неустановившемся режиме. Харак­терна для каналов периодического действия (временных оросите­лей и внутрихозяйственных распределителей) при сравнительно глубоком залегании уровня грунтовых вод. В крупных каналах она имеется в начальный период их работы. Потери воды при неуста­новившемся режиме весьма значительны, так как фильтрация в этом случае происходит при градиенте I>1 (см. рис.59) и большом расходовании воды на насыщение грунта. В каналах периодическо­го действия потери рекомендуется определять по формулам для ус­тановившейся свободной фильтрации, введя в них вместо k_ф или k_в скорость впитывания, которая определяется на основании опы­тов в условиях, аналогичных условиям работы рассматриваемого канала.

Подпорная установившаяся фильтрация. Наблюдается в том случае, когда фильтрационные потери равны естественному или ис­кусственно созданному оттоку грунтовых вод. При подпоре грунто­выми водами потери из каналов меньше, чем при свободной филь­трации.

Рассмотрим случай, когда дно стока не доходит до водоупора (рис. 60). Если условно канал и дрену прорезать до водоупора, то односторонний отток из канала будет равен фильтрационному рас­ходу через перемычку (формула Дюпюи):

Q = k_ф (40)

9*

Из-за потерь напора при выходе потока из канала и при входе в дрену действительный расход будет меньше подсчитанного по фор­муле (40).

При l ≥ 2H₀ достаточно хорошие результаты в отношении сов­падения с опытными данными дает формула Н. К. Гиринского - С. Ф. Аверьянова:

Q = k_ф α^*β^* (на единицу длины канала), (41),

где h_ср = + α H_k (при а 0,3) — средняя глубина грунтовых вод с учетом капиллярной зоны;

α* — коэффициент «висячести» дрен;

β* — коэффициент уменьшения расхода вследствие потерь напора при вы­ходе потока из канала.

Коэффициенты α* и β* определяются по формулам:

где h₀ — глубина воды в дренирующем потоке;

b₀ — ширина дренирующего канала по дну;

В — ширина канала по урезу воды.

Если пренебречь движением воды в капиллярной зоне и поло­жить коэффициенты α* и β* равными единице, то формула (41) приводится к формуле Дюпюи.

Таким образом, при симметрично расположенных дренирующих понижениях потери воды из канала при подпорной фильтрации на единицу длины:

Q_потери = 2k_ф α^*β^*.

Рис. 60. Схема к расчету подпорной фильтрации из канала.

Неустановившаяся подпорная фильтрация. При такой фильтра­ции потери воды, из каналов с течением времени изменяются вслед­ствие изменения или уровня грунтовых вод, или уровня воды в ка­налах и стоках. Характерный пример подпорной фильтрации с неустановившимся режимом — фильтрация из каналов в началь­ный период их работы при неглубоком залегании водоупора или уровня грунтовых вод. Фильтрационные потери при неустановив­шейся подпорной фильтрации с известным приближением можно определять по формулам для установившегося движения, рассмат­ривая установившийся режим как последовательную смену стацио­нарных режимов.

Потери воды в каналах на испарение. Их рассчитывают по фор­муле:

Q_{потери исп} ⁼⁼ Bel,

где B— ширина канала по урезу воды;

l — длина канала;

e — слой испарения с водной поверхности в единицу времени; принимается по данным наблюдений; изменяется в широких пределах и может дохо­дить до 20 мм/сут.

К. п. д. канала или его участка равен отношению расхода воды в конце канала (или участка) к расходу в голове этого канала (участка):

η= .

При заборе воды из канала в отводы к. п. д. его равен отноше­нию суммы расходов, подаваемых в отводы, к расходу в голове канала:

η= ,

где ∑Q_потери— сумма потерь воды на всех участках данного канала.

Различают к. п. д. собственно каналов и системы тех или иных каналов. К. п. д. какого-либо канала характеризует потери воды только из данного канала, а к. п. д. системы канала показывает, каковы потери воды не только в данном канале, но и во всех млад­ших каналах (включая и временные оросители), получающих из него воду. Например, к. п. д. системы хозяйственного распределите­ля зависит от потерь в самом хозяйственном канале и в одновре­менно работающих внутрихозяйственных распределителях и вре­менных оросителях. В общем виде величина его определяется вы­ражением:

η_с.х.р. = ,

где η_с.х.р — к. п. д. системы хозяйственного распределителя, равный к. п. д. всей хозяйственной сети;

Q_пол — расход, подаваемый на поля (поливной расход);

Q_гол.х.р — расход в голове хозяйственного распределителя;

Q_{потери х.р} — потери воды в хозяйственном распределителе;

∑Q_{потери вх.р} — сумма потерь в одновременно работающих внутрихозяй­ственных распределителях;

∑Qпотери в.о — сумма потерь во всех одновременно работающих времен­ных оросителях.

Если выразить потери воды в каналах через соответствующие коэффициенты полезного действия, то

η_с.х.р = η_х.р η_вх.р η_в.о = η_хоз,

где η_х.р η_вх.р η_в.о — соответственно к. п. д. хозяйственного распределителя,

внутрихозяйственных распределителей и временных оро­сителей;

η_хоз —к. п. д. внутрихозяйственной сети каналов.

К. п. д. оросительной системы равен к. п. д. системы магистраль­ного канала:

η_сист = η_с.м.к=

или

η_сист = η_с.м.к = η_хоз η_мх.р η_м.к = η_хоз η_мх.к,

где ∑Q_{потери хоз} — сумма потерь воды из всех одновременно работающих хо­зяйственных каналов;

∑Q_{потери мх.р}— сумма потерь воды из межхозяйственных распределителей;

Q_{потери м.к} - потери из магистрального канала;

η_мх.р η_м.к ^– к. п. д. межхозяйственных распределителей и магистрально­го канала;

η_мх.к— к. п. д. межхозяйственной сети каналов.

К. п. д. каналов, работающих без длительного перерыва, опре­деляют при нормальном расчетном расходе. При пропуске расхо­дов Q < Qнорм к. п. д. каналов несколько уменьшается. Приближен­но значения их в этом случае могут быть вычислены по формуле С. Р. Оффенгендена:

η_α =

где η— к. п. д. канала при Q = Q_норм;

η_α — к. п. д. канала при Q < Q_норм;

α = ;

m— показатель степени, зависящий от водопроницаемости грунта (значе­ния его принимаются такими же, как и в формуле А. Н. Костикова для определения потерь).

Формула С. Р. Оффенгендена может применяться при α ≥ 0,4. В соответствии с техническими указаниями по проектированию каналов оросительных систем. (1955 г.) к.п.д. каналов должны быть не менее следующих величин: для временных оросителей 0,9— 0,95; для систем внутрихозяйственных распределителей 0,85—0,9; для системы хозяйственных распределителей 0,8—0,9.

В СНиПН-52—74 указывается, что для системы магистрально­го канала и его ветвей к. п. д. должен быть не менее 0,8, а для меж­хозяйственных оаспоеделителей — не ниже 0,9.