Бабиков Б. В. Гидротехнические мелиорации (2002)

к л и м а т и ч е с к и е Ф а к т о р Ы. К основным из них

относятся атмосферные осадки, температура и влажность воздуха,

а таюке температура испаряющей поверхности. Влияние осадков проявляется через интенсивность их выпадения. Осадки, выпада­

ющие в виде ливней, в большей степени расходуются на сток, чем

осадки слабой интенсивности. Осадки, выпадающие на сухую по­

верхность почвы в малых количествах, особенно в лесу, вообще не образуют стока. Осадки в виде снега накапливают воду к весне и

при интенсивном снеготаянии с наступлением высоких темпера­

тур воздуха образуют интенсивный сток. При низких температурах

воздуха весной снеготаяние растягивается, сток происходит мед­

ленно, вследствие чего значительное количество воды расходуется

на испарение и фильтрацию.

Температуры воздуха и почвы оказывают постоянное влияние

на испарение. Температура, повышаясь, способствует уменьшению стока. Особенно усиливается испарение при высокой температуре

воздуха и малой его относительной влажности в ветреную погоду.

Озерность и заболоченность водосбо­

р о в. Озера воздействуют на сток по двум направлениям: накап­ ливая воду половодий и паводков и отдавая ее в межень, они вы­

полняют роль регуляторов стока; имея значительную открытую

водную поверхность с повышенным расходом влаги на испарение,

озера несколько снижают сток.

Б о л о т а аккумулируют сток, поскольку моховая растительность

является мощным накопителем влаги. Известно, что в единице объе­ ма сфагнового мха может аккумулироваться до 20 объемов воды. По­ стоянно нарастая в BbICOry и В стороны, болота увеличивают объем аккумулированной воды. Сток воды из болот происходит слабо, по­ этому по мере роста заболоченности территории сток с нее, особенно летом, уменьшается. При насыщении болот влагой в сырые годы бо­

лота увеличивают речной сток, в сухие годы - уменьшают.

р а с т и т е л ь н О С Т ь, особенно лесная, регулирует сток. В лесных сообщ~ствах образуется лесная подстилка, обладающая

большой аккуrvtуляционной емкостью и высокой фильтрационной

способностью. Поэтому лес поверхностный сток переводит в по­

чвенный. Регулирование стока происходит путем аККУI\'lУЛЯЦИИ воды в период половодий, паводков и ливневых дождей и постепенной

отдачи ее почвенным CTOKOivl в период с понижеННЫl\'1 количеством

20

осадков. Поскольку часть выпадающих над лесом осадков задер­

живается кронами, то средний коэффициент стока на облесенных

территориях несколько снижается, однако аккумулированная в по­ чве вода постепенно стекает, растягивая сроки половодья и павод­ ка, что увеличивает питание рек в межень.

В о Д охр а н и л и Щ а , аккумулируя воду периода половодий

и паводков, позволяют обеспечивать подачу воды в реки по мере необходимости в маловодные периоды. Следовательно, водохрани­

лища, как и озера, регулируют сток.

Характеристика стока. Количественно сток характеризуется

объемом, модулем, коэффициентом и слоем стока.

О б ъ е м с т о к а Wc·- объем воды, стекающей с водосбора за

определенный интервал времени . Определяется по расходу воды в

водотоке (реке, ручье, канале и т.д.) за определенный период вре­ мени (сутки, месяц, год, период года и т.д.), м3 :

где Q - средний расход воды, м3/с; t - время расчетного периода.

М о Д у л ь С Т О К а q - количество воды, стекающей с едини­ цы площади водосбора в единицу времени, л/с с 1 га или м3/с с 1 км2 :

где q - модуль стока; Q - расход воды в водотоке, л/с; F - величина водосборной площади, га.

С л о й с т о к а 11сrn - количество воды, стекающее с водосбора за

определенный интервал времени, равноетолщине слоя воды, равномерно

распределенной по площади этого водосбора. Слой стока определяется

где Wc· - объем стока, м3 ; F - площадь водосбора, м2 .

Годовой слой стока (мм/год) по модулю стока можно вычислить

где q - среднегодовой (или средний за период) модуль стока, л/с с 1 га.

21

Коэффициент стока () - отношение величины

(объема или слоя) стока к количеству выпавших на площадь водо­ сбора осадков, обусловивших сток:

где С - величина стока; О - величина осадков.

Средняя многолетняя величина стока называется н о р м о й

стока.

Методы изучения стока. Существует несколько методов изу­ чения стока. Для изучения особенностей формирования стока в за­

висимости от характера почвогрунтов и состояния растительности

используют метод стО1\.овых l1.'lощадо1\..

С т о к о в ы е п л о Щ а Д к и устраивают на местности, имею­ щей уклон с определенной площадью водосбора. Во избежание прито­

ка поверхностных вод по границам стоковых площадок устраивают ог­

радительные канавки. Для предотвращения притока грунтовых вод на

необходимую глубину врезают водонепроницаемый экран из глины или бетона (в отдельных случаях можно использовать полиэтиленовую плен­ ку). Для регистрации стока в нижней части склона площадки устраива­

ют сооружения для сбора воды. На стационарных стоковых площадках

длительного действия для учета стока на глубине ниже поверхности почвы в нижней части площадокустраиваюттраншеи, собирающие воду, и сооружают землянки, в которых устанавливают емкости для сбора воды, оборудованные самописцами, позволяющими отдельно учитывать

поверхностный сток и сток с различных горизонтов почвы.

Особенности режима стока с осушенных земель и определение

суммарного испарения на основе метода баланса проводят на не­

больших водосборах с помощью гидрометрических водосливов (глава 2). При устройстве водосливов на каналах строят простей­

шие плотины с вырезом определенного сечения для пропуска воды.

Определяют площадь водосбора, с которого стекает вода в данный канал (каналы). ~acxoд воды через водослив вычисляют по величи­ не напора (гла~а 2) путем измерения уровней воды с помощью са­

мописцев (глава 3). Расход воды рассчитывают по формулам рас­

хода или по кривой расхода (глава 3), построенной для данного во­

дотока. Данный метод можно применять и при определении стока с малых водосборов, дренируемых естественными водотоками .

22

На безлесных или слабооблесенных болотах весной происхо­

дит интенсивное снеготаяние, сопровождающееся быстрым сбро­

сом талых вод. К маю грунтовые воды понижаются, и сток в мае и июне оказывается ниже, чем на болотах, занятых древостоями, где

медленнее происходит таяние снега. Исследованиями А.Д.Дубаха [5} было установлено замедление снеготаяния и стока в лесах на 1-2 недели по сравнению с безлесными площадями.

Летом грунтовые воды понижаются. Порозность торфяного грун­

та высокая с крупными размерами пор. Капиллярный подъем влаги

к поверхности почвы затруднен (глава 5). В связи с этим физичес­

кое испарение снижается.

На участках, занятых древостоем, кроме испарения происходит

значительный расход влаги на транспирацию, увеличивающей сум­

марное испарение влаги (табло 2), поэтому сток на покрытых ле­

сом землях оказывается ниже, чем на необлесенных болотах. Влияние древостоя на сток с осушенных земель с течениеl\'1 вре­

мени по мере улучшения состояния древостоя усиливается (табло 5).

в высокобонитетных древостоях годовая величина стока умень­

шается в основном за счет снижения стока вод весеннего полово­

дья. На торфяных почвах сток обычно наблюдается и в зимний пе­ риод. На землях с минеральными грунтами сток зимой по каналам

часто прекращается.

При осушении болот сток увеличивается по мере уменьшения рас­ стояний между каналаi\Ш. Соответственно увеличиваются и модули

стока. Среднегодовой модуль на верховых болотах изменяется от 0,047 до 0,0751I/c с 1 га при расстояниях между каналами 205 и 65 м.

Наибольшие,:модули 0,248 и 0,310 л/с с 1 га отмечены в апреле в

период стока талых вод. Максимальный среднесуточный модуль,

равный 2,1 л/с с 1 га, отмечен при расстоянии ме:жду каналами 65 1\1 в

первый год осушения. Последующие 15-летние наблюдения показа-

24

Глава 2

ЭЛЕМЕНТЫ ГИДРАВЛИКИ

Гидравлика изучает законы равновесия и движения жидко­ стей. На законах гидравлики основаны решение многочислен­

ных инженерных и гидрологических задач, расчеты каналов,

гидротехнических сооружений, водопроводов, движение реч­

ных потоков и др.

2.1. Гидростатическое давление

Гидростатикой называют раздел гидравлики, рассматривающий

законы равновесия жидкости и ее взаимодействие с твердыми те­

лами.

Покоящаяся в любом сосуде жидкость оказывает давление на

дно и стенки сосуда. Среднее давление Р ,оказываемое силой Р на

ер

единицу площади со, определяется соотношением

Предел этого отношения при стремлении площадки к нулю выра­

жает гидростатическое давление в данной точке

(11 )

Гидростатическое давление действует во всех направления оди­ наково. Любое изменение давления в покоящейся жидкости пере­

дается одинаково во все точки занятого жидкостыо пространства

(закон Паскаля).

Давление воды на плоское горизонтальное дно сосуда (без уче­

та атмосферного давления) равно

где Р - давление на дно; I - площадь дна; 11 - глубина воды

(расстояние от поверхности воды до дна); у - удельная мас­

са воды.

26

Полное (абсолютное) гидростатическое давление Р" в любой точ­

ке покоящейся жидкости равно весу столба жидкости над данной

точкой (площадкой) плюс внешнее давление РО на свободную по­

верхность жидкости.

где р - плотность жидкости; g - ускорение свободно падающего те­

ла; /1 - глубина погружения точки, для которой определяется дав­

ление.

Нормальное атмосферное давление равно столбу жидкости вы­ сотой 10,3 м.

В системе СИ единицей давления является Паскаль (Па). Атмос­ ферное давление в инженерных расчетах принимается (в системе СИ) равным Па (округленно Па, или 100 кПа), во внесистемных единицах 1атм = 1 кгс/см2 •

Поскольку гидростатическое давление в жидкости действует во

всех направлениях одинаково, то все точки на определенной глуби­

не испытывают одинаковое давление. Оно передается и на рас­ стояние. Для его измерения присоединим к сосуду на уровне точки

А (рис. 4) тонкую стеклянную трубку (пьезометр) с открытым кон­

цом. Жидкость поднимается по трубке и остановится на уровне жидкости в сосуде. Высота /11 называется пьезометрической высо­ той, величина h, равная /11 - пьезометрическим (гидростатическим)

напором.

Рис.4. Схс;-.ш Фоr;-'lироваllШI I1Ы~30!\IСТРИЧССКОГО НClГюра

27

2.2. Закон движения жидкости

Законы движения жидкости, определение скорости и сопротивле­

ний движению изучает ГИДРЩl.инамика. В применении к курсу гид­

ромелиорации г и Д р о Д и н а м и к а является основным изуча­

емым разделом гидравлики.

По характеру скорости и расхода движение воды бывает устано­

вившимся и неустановившимся. У с т а н о в и в ш и м с я

называется такое движение, при котором скорость и расход воды, а

следовательно, и давление во всех точках потока неизменны за рассмат­

риваемый промежуток времени. Такое движение наблюдается в ре­

ках, когда уровень воды остается неизменным или, при истечении воды

из резервуара, при неизменной отметке свободной поверхности.

Н е у с т а н о в и в ш и м с я называется такоедвижение, при ко­

тором скорость и расход воды в пределах рассматриваемого периода

меняются, например, в реке при изменении уровней (при паводке, во

время сбросов воды через водосбросные вооружения при плотинах).

По характеру перемещения потока по длине водотока установив­

шееся движение подразделяется на равномерное и неравномер­

ное. Р а в н о м е р н ы м является такое движение воды, при ко­

тором форма и площадь поперечного сечения русла, а также сред­

ние скорости и скорости во всех точках потока по длине одинако­

вы. Н е р а в н о м е р н о е движение отличается изменяемостью площадей сечения потока, глубин, скоростей потока по длине. В

настоящем учебнике рассматриваются расчеты при равномерном

движении.

По характеру режима движение воды подразделяется на ламинар­ ное и турбулентное. Л а м и н а р н ы й режим движения характе­ ризуется перемещением воды без перемешиваний струй (преиму­ щественно в вертикаЛЬНО1\'1 направлении). Такой режим наблюдает­

ся при движении грунтовых вод или воды в тонких капиллярных

трубках. Т у Р б у л е н т н ы й режим характеризуется перемеши­

ванием частиц воды, которые кроме поступательного движения с

большими с~оростях• имеют и вращательное движение. Такой ре-

жим наблюдается в трубах, реках, каналах и т.п.

По характеру сил, вызывающих движение жидкости, оно может быть напорным и безнапорным. Б е з н а пор н о е Д в и ж е -

н и е происходит под действие1\'1 сил тяжести . Поверхность потока

2R

не ограничена, находится гюд атмосферным давлением. Этот вид движения наблюдается в реках, каналах, трубах при неполном их

заполнении. Н а пор н о е движение происходит под действием

давления (напора), создаваемого насосами, водонапорной башней или при подаче воды по трубам из прудов, располагающихся выше потребителей (например, петергофские фонтаны) и т.п. Движение воды характеризуется уравнением Бернулли:

где Z\ и Z:, - геометрическая высота центров тяжести потока в се­

чениях 1- II (рис. 5); Р, иР:, - гидростатическое давление; у -удель­

ная масса воды; V, и V2 - скорости движения воды; а - поправочный коэффициент на среднюю скорость потока (равный в среднем 1,1);

Р/ У и Р/ У - пьезометрическая высота давления в сечениях 1-11;

Z,+ Р/ У и Z2+ Р/ У - пьезометрический напор, характеризующий удельную потенциальную энергию в сечениях I-II; V//2g и V-//2g-

скоростной напор, характеризующий удельную кинетическую энер­

гию в сечениях 1 и 11; 11ш - потери напора или удельной энергии. Все

величины имеют размерность скорости.

t

Рис. 5. Cxe~ta к уравнению f:)еРI!)'ЛЛИ

Гидравлические характеристики потока. Различают следую­

щие характеристики потока (рис. 6): живое сечение, смоченный

периметр, гидравлический радиус.

29