Источники воды для орошения Сток как гидрологическая величина Способы выражения стока

Скопления природных вод на земном шаре образуют вод­ные объекты. Они делятся на Мировой океан и водные объекты суши: реки, озера, водохранилища, пруды, болота, под­земные воды, ледники, вечные снега. Изучением водных объек­тов занимается наука гидрология, которая подразделяется на океанологию и гидрологию поверхностных вод. Достижения последней широко используются при мелиорации земель.

В природе происходит круговорот воды — непрерывный процесс циркуляции воды на земном шаре под влиянием солнеч­ной радиации и силы тяжести. Основными элементами водного баланса суши являются осадки, испарение и сток. В настоящее время люди еще не научились сколько-нибудь эффективно управлять осадками и испарением в своих целях, хотя приемы такого управления рассматриваются и могут осуществиться в будущем. Главным объектом воздействия при мелиорации яв­ляется сток. Сток — движение воды по поверхности земли (по­верхностный сток) и в толще почв и горных пород (подземный сток) в процессе круговорота ее в природе. При мелиорации земель, расположенных в засушливых районах страны, где не­достаточно влаги для получения высоких урожаев сельскохо­зяйственных культур, мелиоративные мероприятия должны быть направлены на всемерное задержание поверхностного стока на полях и перевод его в состояние почвенной влаги, т. е. на уменьшение величины стока, а в избыточно увлажненных районах, наоборот,— на ускорение стока весной и во время больших летне-осенних дождей и на задержание его летом, когда почва недостаточно увлажнена.

Величина стока выражается в виде объема, модуля или слоя. Объем стока — это объем воды, стекающей с водосбора за какой-либо интервал времени — год, сезон (водосбор — часть земной поверхности, откуда вода поступает к водному объекту, или толща почв и горных пород). Модуль стока — количество воды, стекающее с единицы площади водосбора в единицу вре­мени (л/с-га, м³/с-км²). Если объем стока равномерно распре­делить по площади водосбора, то получим слой стока (мм).

В многолетнем разрезе в среднем для территории бывшего Союза вод­ный баланс составляет 530 = 330+200 мм (осадки — 530 мм, испарение — 330 мм, сток — 200 мм).

Поверхностный сток и пути его использования Регулирование стока в прудах и водохранилищах

Поверхностный сток (далее просто сток) разделяется на склоновый, русловый и речной, а в зависимости, от происхожде­ния— сток весеннего снеготаяния (для рек — сток половодья) и дождевой. Сток, который образуется в рассматриваемом рай­оне, называют местным. Склоновый и русловый стоки обычно относятся к местному стоку. Особенность местного стока со­стоит в том, что для его использования не нужно специального разрешения органов водной охраны, в то время как на исполь­зование речного стока такое разрешение необходимо.

Наиболее рационально и экономично использовать местный сток для орошения, задерживая его непосредственно на сель­скохозяйственных полях и превращая в почвенную влагу, ко­торая используется растениями во время вегетации для созда­ния урожая. Этого можно достичь снегозадержанием, вспашкой поперек склона с прерывистым бороздованием, лункованием пашни, повышением водопроницаемости почвы путем введения травопольных севооборотов, улучшением структуры почвы, вне­сением навоза.

Сток задерживают на полях также при лиманном оро­шении. Лиманом называют мелководный водоем значитель­ной площади. Лиманы бывают естественные и искусст­венные. Искусственные лиманы образуют с помощью водозадерживающих валиков, но в отличие от чека планировку по­верхности почвы внутри лимана не проводят, поэтому глубина воды в нем может изменяться от нуля в верхней части лимана до некоторого максимального значения — в нижней (у вала). В соответствии с этим глубина лимана характеризуется сред­ней величиной.

По глубине наполнения лиманы подразделяются на мел­ководные (средняя глубина до 0,25 м и глубоководные (более 0,4 м). Наиболее целесообразны мелководные лиманы: валы получаются невысокими (до 0,7 м), легкими в устройстве и эксплуатации, без сложных водовыпусков, достигается наи­большая площадь орошения (при данном объеме воды) и впол­не достаточная глубина промачивания почвы. Лиманное орошение не относится к разряду регулярного, это однократное влагозарядочное орошение путем задержания весеннего стока и промачивания почвы на значительную глу­бину (до 2 м и более). Для этого на пути стока талых вод устраивают валы, которые и задерживают воду, образуя лиманы. Основная зона применения лиманного орошения — об­ширные пространства сухих степей Юго-Востока, Казахстана, Заволжья, Западной Сибири, а также некоторые районы Север­ного Кавказа и Украины. Лиманное орошение — экстенсивная форма мелиорации. Оно относительно дешево и обеспечивает существенную прибавку урожая. Основной способ сельскохозяйственного использования — естественные сенокосы и пастбища (создание кормовой базы для животноводства), а также для выращивания различных культур.

Местный сток, который не удалось аккумулировать в почве на полях, можно использовать для орошения после его задер­жания в прудах и водохранилищах, устраиваемых на балках и в других понижениях рельефа. Для этого строят водоподпорные сооружения — плотины, которые образуют водохранилища. Мелководное водохранилище площадью не более 1 км² назы­вают прудом. Плотины прудов обычно возводят из местных ма­териалов, часто земляные из суглинистого грунта. В плотинах из супесчаного грунта (для уменьшения фильтра­ции через тело плотины и ее основание) устраивают ядро и зуб или замок. Чтобы фильтрационные воды не выходили на низо­вой откос, отсыпают дренажную призму. Земляную плотину строят, отсыпая почву слоями 20—30 см и уплотняя ее бульдо­зерами или катками. Применяют также средства гидромехани­зации.

При проектировании прудов сначала выполняют гидрологи­ческие расчеты, в результате которых находят, во-первых, объ­емы весеннего стока, различной обеспеченности (вероятности превышения), образующегося на данном водосборе, и, во-вто­рых, максимальные расходы воды весеннего снеготаяния и лив­ней. Далее проводят водохозяйственные расчеты, которые поз­воляют установить характерные объемы и уровни воды в пруду с помощью батиграфических кривых зависимости объема и пло­щади водного зеркала пруда от его наполнения. Нижний объем, называемый мертвым, предназначен для оседания наносов и перезимовки рыб и прудовой фауны. Выше между уровнем мертвого объема (УМО) и нормальным подпорным уровнем (НПУ) располагается рабочий объем. При сезонно-годичном регулировании стока в прудах, когда цикл наполнения пруда до НПУ (весной) и сработки его до УМО (к концу лета) про­исходит в течение одного года, рабочий объем равен объему весеннего стока принятой обеспеченности (50—80% и более). Расчетную обеспеченность объема весеннего стока находят в результате специальных технико-экономических исследова­ний: чем меньше обеспеченность, тем больше объем весеннего стока и соответственно больше рабочий объем пруда, тем боль­ше площадь оросительной системы и капитальные вложения в ее строительство, но, с другой стороны, тем на меньшую часть системы хватит воды для полива в маловодные годы. НПУ назначают, исходя из условий наиболее полного исполь­зования емкости балки (с учетом оптимальной обеспеченности объема весеннего стока). При этом нельзя допускать больших зон мелководий и затопления или подтопления ценных угодий, сооружений, населенных пунктов.

Рабочий объем вместе с мертвым составляет полный объем пруда. Рабочий объем пруда не может быть полностью исполь­зован на орошение, потому что за время сработки пруда часть воды теряется на испарение с открытой водной поверхности и фильтрацию в ложе пруда и через плотину. Объем, равный рабочему, за вычетом потерь воды и используемый непосред­ственно на орошение (или какие-либо другие нужды, напри­мер водоснабжение), называют полезным V_полез. Оросительная способность пруда Ω^нт, т. е. площадь нетто, которую можно оро­сить из данного пруда, определяется по формуле Ω^нт = V_полез/М^бр га, где М^бр — средняя оросительная норма брутто для культур, входящих в выбранный севооборот, м³/га.

Во время пропуска через пруд паводка, т. е. в чрезвычай­ных условиях эксплуатации, подпорный уровень может под­няться выше нормального. Этот временно допускаемый в верх­нем бьефе уровень называют форсированным (ФПУ). В не­больших прудах превышение ФПУ над НПУ составляет обычно 0,5—1,5 м.

Пропуск воды сбрасываемой из верхнего бьефа во избежа­ние его переполнения, осуществляют с помощью водосброса, который наряду с водозабором и водоспуском входит в состав гидротехнических сооружений при плотине. Водосбросы могут быть поверхностные, у которых входная часть расположена на уровне воды в верхнем бьефе (выше плотины) и глубинные, когда входная часть расположена на некоторой глубине под уровнем воды. В зависимости от расположения относительно плотины различают водосбросы береговые и плотинные, а от характера управления ими — автоматические и регулируемые (управляемые). Водосливной порог автоматических водосбросов устанавливают на отметке НПУ, и после прохождения паводка уровень воды в пруду опускается и автоматически фиксируется на уровне порога водосброса. Порог регулируемых (щитовых) водосбросов устраивается ниже отметки НПУ, поэтому при пропуске паводка, когда щиты (затворы) водосброса подняты, напор на водосливе и пропускная способность таких водосбросов выше, чем автоматических, однако они сложнее в эксплуатации по сравнению с автоматическими из-за необходимости маневрирования затворами. Водосбросы прудов рассчитывают на пропуск трансформированного при прохождении через пруд максимального расхода 1 %-ной обеспеченности. Следовательно, 1 раз в 100 лет расчетный расход воды может быть превышен, уровень воды в пруду может подняться выше форсированного, и если вода начнет переливаться через гребень земляной плотины, она будет разрушена. Водосбросы крупных водохранилищ на реках рассчитываются па пропуск расходов 0,1 %-ной и 0,01 %-ной обеспеченности. Ширина водосливного оголовка b (м) водосброса определя­ется по формуле Q = тb√2*g * H³/² м³/с, где Q— расчетный рас­ход воды; т — коэффициент расхода, m = 0,3—0,5 в зависимости от типа водослива; H— напор на водосливе, м; g = 9,81 м/с².

Основная часть площадей нашей страны орошается из рек. Речной сток в нашей стране весьма велик, однако распределен неравномерно.

На юге, западе и востоке страны заметную роль в питании рек играют дожди, а на юге — еще и ледники, которые обеспе­чивают благоприятный для орошения гидрологический режим (наибольшие расходы воды — летом). Однако большинство равнинных рек страны характеризуется преимущественно сне­говым типом водного питания и соответственно значительным по расходам и объемам воды весенним половодьем. Период орошения здесь совпадает с летней меженью рек, когда наб­людается низкая их водность. Поэтому сток многих рек в райо­нах орошения зарегулирован в водохранилищах. Регулирова­ние стока средних и крупных рек выполняют по типу много­летнего, когда общее наполнение водохранилища происходит в многоводные годы, а его полная сработка до УМО — в ма­ловодные. Для регулирования стока таких рек в целях ороше­ния, энергетики, судоходства, рыборазведения строят круп­ные комплексные гидроузлы, объединяющие несколько гид­ротехнических сооружений. Основное сооружение гидроузла — плотина. Плотины могут быть водоподъемные и водохранилищные. В крупных гидроузлах помимо грунтовых применяют также бетонные гравитационные, коптрфорсные, арочные, а также каменные н каменно-грунтовые плотины.

При строительстве крупных водохранилищ следует учиты­вать нежелательность затопления земель. Поэтому наиболее целесообразно строить водохранилища в горах. На равнинных территориях зону возможного мелководья ограждают дамбами и устраивают вдоль них специальный дренаж.