Конструкции элементов оросительных систем, расчет и проектирование

Оросительные системы и их основные элементы

Оросительная система – гидромелиоративная система для орошения земель. Основная техническая задача оросительной системы состоит в том, чтобы забрать воду из источника орошения и доставить ее к орошаемому массиву в нужные сроки и в нужных количествах и распределить между отдельными хозяйствами и полями севооборотов, создать на полях нужную для растений влажность почвы.

К элементам оросительной системы относятся:

  1. Источник орошения.
  2. Головное (водозаборное) сооружение.
  3. Оросительная сеть.
  4. Водосборно-сбросная и коллекторно-дренажная сети.
  5. Гидротехнические сооружения на сети.
  6. Лесные полосы и дорожная сеть.
  7. Орошаемые земли с межхозяйственной и внутрихозяйственной организацией территории.

Следовательно, оросительная система регулярного орошения представляет собой комплекс из орошаемых земель, источника орошения и разных сооружений на них для коренного улучшения неблагоприятных природных условий и повышения плодородия почв с целью получения высоких урожаев с наиболее эффективным использованием земельных и водных ресурсов, без отрицательного воздействия на окружающие земли. Оросительную систему можно рассматривать с агропроизводственной точки зрения как часть сельскохозяйственного комплекса для искусственного увлажнения полей с целью получения высоких урожаев.

Источниками воды для орошения могут быть реки в их естественном или зарегулированном состоянии, озера, местный поверхностный сток, поступающий в пруды; подземные воды, промышленные, хозяйственно-бытовые и сбросные повторно используемые воды систем.

Основные требования к источнику орошения – дать воду в необходимом количестве и нужного качества. Количество воды устанавливается путем гидрологических и водохозяйственных расчетов. Водоисточник должен располагаться вблизи орошаемого массива, желательно выше него (для обеспечения подачи воды самотеком).

При проектировании оросительной системы необходимо знать гидрологические характеристики источника орошения, гидрогеологию и топографию местности. Зная эти характеристики, можно установить: возможную площадь орошения, необходимость регулирования источника орошения, необходимость осветления воды, схемы водозабора и подачи воды на орошаемый массив.

Источник орошения должен полностью обеспечивать потребность в воде за весь период орошения. Согласование режима источника орошения и режима орошения достигается путем: 1 – регулирования водоисточника; 2 – приспособлением режима орошения к режиму водоисточника; 3 – одновременным регулированием водоисточника и режима орошения.

Качество оросительной воды оценивают в соответствии с агрономическими (плодородие почв, предупреждение процессов засоления, осолонцевания и содообразования, урожайность, качество и сохраняемость продукции); техническими (содержание микроэлементов, радиоактивных веществ, рН и др.) и экологическими (содержание эпидемиологически опасных возбудителей болезней, количество бактерий) критериями.

Головное (водозаборное) сооружение служит для забора воды из источника орошения и подачи ее в оросительную сеть.

Выделяют три типа водозабора:

  1. бесплотинный;
  2. плотинный;
  3. с механическим водоподъемом.

По способу забора воды из источника орошения различают оросительные системы самотечные и с механическим подъемом.

Оросительная сеть по своему назначению делится на две части: проводящую и регулирующую.

Проводящая сеть строится постоянной. В ее задачу входит транспортировка воды от источника орошения к орошаемым массивам и распределение ее в пределах орошаемых массивов между отдельными хозяйствами, севооборотными участками и полями.

К проводящим каналам относятся: магистральный канал МК и его ветви 1-МК, 2-МК, межхозяйственные и хозяйственные распределители различных порядков 1-1.К, 1-2.К, 1-2.1.К, 1-2.1.1.К, внутрихозяйственные распределители 1-1.К 1, 1-1.К 1.1.

Магистральный канал и его ветви подают воду от водозаборного сооружения до распределителей различных порядков.

Межхозяйственные распределители подают воду из МК нескольким хозяйствам, а хозяйственные одному хозяйству.

Внутрихозяйственные оросительные каналы распределяют воду между производственными участками, севооборотами, поливными участками внутри хозяйства. Внутрихозяйственные распределители самого младшего порядка, подающие воду на поливные участки, называют участковыми распределителями.

В задачу регулирующей сети входит распределение воды по площади поля и превращение ее из состояния тока в состояние почвенной влажности.

Регулирующая сеть при поверхностном орошении состоит из временных оросителей, выводных и распределительных борозд, поливных трубопроводов, поливных машин, поливных полос, борозд, чеков, при поливе дождеванием – из дождевальных машин и трубопроводов, при внутрипочвенном орошении – из подземных увлажнителей. Регулирующую сеть, чтобы не стеснять условия механизации сельскохозяйственных полей, устраивают временной, переносной или передвижной, или постоянной, уложенной на определенную глубину в землю.

По конструкции оросительная сеть бывает трех типов:

  • открытая, состоящая из каналов в земляном русле или в облицовке, если нужно уменьшить фильтрацию или увеличить скорость, или из лотков, применяемых в сложных топографических и геологических условиях;
  • закрытая, состоящая из напорных или безнапорных трубопроводов, уложенных в земле; на поверхности земли вода подается через гидранты;
  • комбинированная, в которой основные крупные каналы делают открытые, основная сеть закрытая, или вода от водозабора до хозяйства подается по трубам, а внутрихозяйственная сеть сделана в виде открытых каналов и трубопроводов.

Водосборно-сбросная сеть предназначена для сбора и отвода избыточных поверхностных вод и для сброса воды из оросительных каналов. Она состоит:

  • из аварийных и концевых сбросов;
  • водосборных каналов различных порядков;
  • нагорных каналов, предохраняющих орошаемые земли от поступления на них поверхностных вод с вышележащей территории.

Дренажная сеть служит для отвода избыточных грунтовых вод с территории оросительной системы. Она состоит из межхозяйственных и внутрихозяйственных коллекторов и дрен.

Оросительная система оснащается гидротехническими сооружениями. Для регулирования уровней и расходов воды в каналах устраивают регуляторы, для транспортировки воды через искусственные и естественные препятствия – водопроводящие сооружения (акведуки, дюкеры, тоннели), для сопряжения бьефов – перепады и быстротоки. Гидротехнические сооружения оснащают автоматами по учету воды, регулированию ее уровней и расходов, средствами централизованного дистанционного контроля и управления. Для наблюдения за уровнем грунтовых вод на орошаемой территории устраивается сеть наблюдательных скважин.

Дороги проектируют для обслуживания системы, передвижения сельскохозяйственных машин, подвоза семян, вывоза урожая. Полевые дороги устраивают для сообщения с каждым полем; внутрихозяйственные – для сообщения между полями, с усадьбами и полевыми станами, межхозяйственные – для связи каждого хозяйства с железнодорожными станциями, пристанями, административными центрами; эксплуатационные – для обслуживания системы.

Лесные полосы сокращают скорость ветра и уменьшают испарение, а также накапливают снег в зимний период. На мелиорируемой территории размещают следующие виды лесных полос: полезащитные, приканальные, дренажные, придорожные, прибрежные, приводоемные, пастбищезащитные, озеленительные и пограничные.

Орошаемые земли со всеми их особенностями (рельеф, почва, гидрогеологические условия) являются основным элементом оросительной системы. От них в значительной степени зависят состав, число и конструкция других элементов.

В состав оросительной системы входят земли одного (внутрихозяйственная оросительная система) или нескольких (межхозяйственная оросительная система) хозяйств, ассоциации крестьянских хозяйств и сельскохозяйственных предприятий, и даже нескольких административных районов.

Площадь в границах оросительной системы, занятая посевами сельскохозяйственных культур и насаждениями, полив которых предусмотрен проектом, является орошаемой площадью нетто. Площадь под каналами, сооружениями, дорогами, лесными полосами, постройками, а также под небольшими участками в границах орошаемой площади, но не орошаемыми по почвенно-мелиоративным и другим условиям, называется площадью отчуждений.

Расчет и проектирование элементов оросительной системы

Расчет и проектирование элементов оросительной системы осуществляется в соответствии с действующими нормативными документами, устанавливающие правила и порядок их проектирования.

В базу исходных данных изысканий для последующего проектирования включают:

  • характеристику водоисточника и его гидрологический режим;
  • топографический план участка орошения;
  • почвенно-мелиоративную и ботанико-культуртехническую карты;
  • данные инженерно-геологического, гидрогеологического и гидротехнического обследований участка орошения;
  • технические условия на электроснабжение;
  • метеорологические данные по осадкам, температуре и дефициту влажности воздуха в течение вегетации за многолетний период по опорной (близлежащей к объекту) метеостанции.

Проектирование оросительной системы базируется на разработанном режиме и обоснованной технико-экономическими расчетами технике орошения.

Оросительную сеть проектируют с учетом обеспечения:

  • своевременной подачи оросительной воды на поливные участки;
  • заданных технико-экономическими расчетами (оптимальных) коэффициентов земельного использования и полезного действия системы;
  • условий для использования высокопроизводительных сельскохозяйственных машин и орудий и применения передовых технологий возделывания сельскохозяйственных культур;
  • высокопроизводительной работы автоматизированной дождевальной техники.

Трубчатая оросительная сеть проектируется, как правило, тупиковой с одно- или двусторонним ответвлением трубопроводов низших порядков. Предпочтение следует отдавать тупиковой схеме с двусторонним расположением распределительных и поливных трубопроводов.

Оросительная сеть в плане должна проектироваться в увязке с рельефом местности, инженерно-геологическими условиями, принятыми способами и техникой полива, требованиями рациональной организации орошаемой территории и минимальной протяженности сети.

В техническом задании на проектирование крупной мелиоративной системы, как правило, указывается:

  • основание для разработки проекта (генеральная схема, генеральный план развития района, целевая программа охраны природы, обоснование инвестиций и др.);
  • местоположение, границы, площади;
  • назначение, требования заинтересованных отраслей - сельского хозяйства, гидроэнергетики, водного транспорта и др.;
  • ориентировочные параметры объектов проектирования (площади, расходы, мощности и т.д.;
  • требования к конструктивным решениям и способы регулирования водного режима;
  • сроки, очередность строительства;
  • другие сведения, необходимые для проектирования.

Характеристики каналов

Главными характеристиками канала является форма и размер его живого сечения, то есть поперечного сечения потока. Форма каналов может быть разнообразной. Часто применяются каналы трапецеидального и полигонального очертания. Также сечение может быть прямоугольным, полукруглым, параболическим, очерченным более сложной кривой или составным.

Поперечные сечения каналов

Трапецеидальное

Полигональное

Прямоугольное

Полукруглое



Заложение откоса m, равное

зависит от грунта, в котором проходит канал. Если для скальных грунтов заложение откоса приближается к нулю, то, например, для пылеватых песков оно может достигать 3-3,5. Укрепление откосов позволяет назначать заложение требуемой величины.

В отличие от естественных русел существует возможность придать сечению канала гидравлически наивыгоднейшее сечение (то есть подобрать соответствующие величины ширины канала по дну и глубины потока). При таком сечении при заданной шероховатости русла обеспечивается максимальная пропускная способность при минимальной площади сечения. Однако для диапазона наиболее распространённых заложений откосов получается, что такие каналы имеют большую глубину и малую ширину по дну, что часто нецелесообразно по технологии устройства и стоимости работ. В придачу к этому происходит увеличение размывающей скорости потока. Поэтому ширину каналов по дну увеличивают по сравнению с гидравлически наивыгоднейшей.

Расчёт каналов

В общем случае небольшие каналы рассчитываются в предположении равномерного движения воды. Для определения скорости и расхода используют формулы Шези:

где

V — средняя скорость потока, м/с;

C — коэффициент сопротивления трения по длине (коэффициент Шези), м0,5/с, являющийся интегральной характеристикой сил сопротивления;

R — гидравлический радиус, м;

I — гидравлический уклон, который при равномерном движении потока со свободной поверхностью равен уклону дна и свободной поверхности.

ω — площадь живого сечения, м2.

Расход воды в канале определяется водохозяйственными расчётами. Задача сводится к определению сечения канала и его размеров при сравнительно узком диапазоне возможной скорости потока. Узость диапазона скорости диктуется тем, что русло с одной стороны не должно размываться, а с другой — не должно заиливаться. Расчёт предельных скоростей по заилению и размыванию является сложной задачей и решается приближёнными методами. Для большинства материалов размывающие скорости определены и приводятся в соответствующих таблицах в зависимости от глубины потока.

Источник: Википедия

Избранная библиография

Монографии и брошюры

Дунин-Барковский Л.В. - Физико-географические основы проектирования оросительных систем (1960) 

Методы фильтрационных расчетов гидромелиоративных систем / Под ред. Н.Н. Веригина (1970) 

Методика инженерных изысканий для мелиоративного строительства в аридной зоне (1983) 

Полад-заде П.А., Гришенко Н.С., Чаталбашев П.П. - Опыт строительства крупных каналов (1982) 

Проектирование совершенных гидромелиоративных систем в аридной зоне (1986) 

Черникевич Л.А., Шаров П.А. - Применение сборного железобетона в мелиоративном строительстве (1965) 

Статьи

Акопян А.В., Власов М.В. - Использование аппарата математической логики и теории множеств в процессе проектирования оросительной сети при циклическом орошении (2012) 

Антроповский В.И. - О методах расчета крупных земляных каналов (2008) 

Арифжанов А.М., Хазратов А.Н. - Транспортирующая способность оросительных каналов в земляном русле (2007) 

Ахмедов А.Д. - Расчет элементов режима орошения при локальном способе полива (2012) 

Бахриев С.Х., Тиллоев С.Т. - Орудие для нарезки поливных борозд с переменным шагом, работающее на склоновых землях (2011) 

Барамыков М.Р. - К вопросу об определении расхода воды в открытых потоках (2016) 

Бейсембин К.Р. - Методика расчета водозабора и фильтрующего потока (2016) 

Бекмуратов М.М., Джолдасов С.К., Даркенбаев Е.Д. - Новые конструкции гидротехнических сооружений (2016) 

Духовный В.А., Кобылин Г.А., Ясаков П.И. - Опыт индустриализации водохозяйственного строительства в Голодной степи (1964) 

Духовный В.А. - Совершенствование комплексного строительства (1975) 

Духовный В.А. - Совершенствование комплексного строительства (1976) 

Духовный В.А., Баклушин М.Б., Чолпанкулов Э., Дудко О.П., Джабаров М.С. - К вопросу построения упрощенной математической модели тепло- влаго- и соле-переноса в мелиорируемых грунтах (1988) 

Иваненко Ю.Г. - Метод расчета гидравлических параметров земляного канала с установившимся неравномерным течением воды с переменным расходом (2012) 

Карпенко А.В., Тищенко А.И. - О методах расчета конструктивных элементов сооружений на пересечениях (2006) 

Корнеев И.В., Балабаев А.С. - Об оптимизации проектных решений по оросительным системам на основе анализа инвестиционных и операционных затрат (2015) 

Кожанов А.Л. - Нормативно-правовое обеспечение эксплуатации водовыпусков оросительных каналов (2014) 

Кловский А.В., Козлов Д.В. - Новые рекомендации по устройству и эксплуатации косонаправленных донных циркуляционных порогов в составе бесплотинных водозаборных гидроузлов на малых горных реках (2015) 

Лентяева Е.А. - Определение основных расчетных параметров трубчатого сифонного водосброса при различных режимах его работы (2012) 

Махмудов И.Э., Махмудова Д.Э., Утемуратов М.М. - Потери напора на трение при напорном движении смеси воды и взвешенных наносов (2012) 

Михалев М.А. - Расчет магистральных каналов (2013) 

Пахомов А.А., Колобанова Н.А. - Применение гидравлических средств регулирования водоподачи и водоучета для сооружений водохозяйственного строительства (2012) 

Сидорчук А.Ю. - Прогнозирование и предупреждение затоплений сельскохозяйственных земель паводковыми водами (1984) 

Федоров В.М. - Конструктивные и технологические мероприятия для эффективной работы водопроводящей сети оросительных систем (2011) 

Федоров В.М. - Сборные элементы оросительной сети из бетона с микронаполнителем (2010) 

Федоров В.М. - Мелиоративные трубы из полимерцементного бетона (2010) 

Хужакулов Р. - Опыт проектирования гидросооружений и оросительных каналов на просадочных грунтах в аридной зоне 

Чернявская А.Е., Кузнецов Е.В. - Повышение надежности закрытой оросительной системы (2014) 

Учебные пособия

Булатов Г.Я. - Теория технологии гидромелиоративного строительства (2004) 

Дунаев А.И., Кровопускова В.Н. - Основы проектирования мелиоративной системы гумидной зоны (2013) 

Замарин Е.А. - Проектирование гидротехнических сооружений (1961) 

Нормативно-методическая и справочная информация

Расчеты водопропускных сооружений на каналах гидромелиоративных систем: Методические указания / Сост.: К.В. Зотов, М.Ю. Патрина (2010) 

ВТР-П-7-75 Руководство по проектированию магистральных и межхозяйственных каналов оросительных систем 

Справочник по гидравлике для мелиораторов / П.М. Степанов, И.Х. Овчаренко, Ю.А. Скобельцин (1984) 

Справочник по гидравлике / Под ред. В.А. Большакова (1977) 

Справочник по механизации орошения / Под ред. Б.Г. Штепы (1979) 

Указания по производству работ при строительстве лотков-каналов из сборного железобетона в Голодной степи (1963)