Проектирование водохранилища

плотина гидрологический лесомелиоративный пруд Ландшафтная архитектура — это творческое направление деятельности человека, сочетающее в себе использование уже состоявшихся канонов ландшафтного дизайна и изыскания новых, более необычных и гармоничных путей благоустройства территории.

Изначально люди стремились приукрасить декоративными и художественными элементами свою территорию изнутри помещения. Однако, со временем возникла и получила развитие тенденция благоустраивать не только помещение снаружи и внутри, но и прилегающую к нему садовую и парковую территорию. В состав благоустройства участка входят не только лишь древесно-кустарниковые и травянистые посадки и различные композиции из них, но и размещение на участке искусственного водоема — фонтан, водопад или пруд.

Наличие правильно сконструированного искусственного водоема на благоустраиваемой территории не только придает гармоничность общей массы, но и усиливает рекреационный эффект вашего участка, создав тем самым место для отдыха (что является важной составляющей частью загородного участка).

Поэтому специалист в сфере ландшафтного дизайна должен обладать необходимыми знаниями для сооружения и правильного размещения искусственного водоема, а так же для размещения близ него необходимой древесно-кустарниковой растительности, что повысит лесомелиоративные качества водоема и рекреационный эффект участка.

Цель: конструирование пруда с грунтовой плотиной с учетом использования местных грунтов в климатических условиях Тобольского района.

Задачи:

1. Изучить физическую, климато-географическую и почвенную характеристики района работ;

2. По материалам топографо-геодезических изысканий выбрать створ плотины;

3. Выполнить гидрологические расчеты водохранилища;

4. Установить параметры плотины;

5. Разработать лесомелиоративные мероприятия на берегах водохранилища.

1. Физико-географические условия района

1.1 Географическое положение

Район является частью обширной Западно-Сибирской равнины и находится в пределах южной тайги, и подтайги.

Территория района представляет собой плоско-волнистую равнину, распространяющуюся к западу и северо-западу от пойм рек Тобола и Иртыша представляет массив государственного лесного фонда.

Территория района покрыта густой сетью рек, как больших, являющимися основными магистралями стока, так и мелких их притоков. Самые крупные реки, протекающие в районе, река Иртыш, Тобол у города Тобольска.

1.2 Климатические условия

Климат Тобольского района среднеконтинентальный, в летнее время формирующийся главным образом под воздействием циклонов, перемещающихся с запада. Однако внедрение арктического воздуха вызывает похолодание и заморозки в начале и конце летнего периода. В зимнее время континентальность климата усиливают антициклоны Центральной Азии, обуславливая относительную суровость зимнего периода [Агроклиматические ресурсы Тюменской области, 1972].

Климат характеризуется следующими особенностями: суровая холодная зима, короткие весна и осень, непродолжительный безморозный период. Наблюдаются резкие колебания температуры не только по временам года, но и в течение суток, особенно весной.

Беспрепятственное проникновение арктических масс воздуха с севера и сухих с Казахстана, обуславливает резкие изменения погоды и приводит к общей неустойчивости климата. В целом, природные условия на территории с развитой речной сетью, благоприятны для возделывания зерновых, кормовых культур, картофеля, а также развитию преимущественно молочно-мясного скотоводства, ведения рыбного хозяйства, промыслового рыболовства.

К благоприятным климатическим факторам следует отнести сравнительно теплое лето, довольно продолжительный световой день и вегетационный период, способствующие хорошему росту и развитию растительности. За вегетационный период растения успевают пройти полный цикл годового развития. Значительная высота снежного покрова обеспечивает надежную сохранность всходов голосеменных и покрытосеменных растений от вымерзания [Справочник по климату СССР, 1967].

Температура воздуха По всему району в течение 5 месяцев, начиная с ноября и по март, средние месячные температуры воздуха остаются отрицательными, а с апреля по октябрь — положительными (Таблица 1).

Средняя годовая температура воздуха близка к 0 °C, но остается положительной и составляет 0,2° С.

Годовой ход температур характеризуется минимумом в январе-феврале и максимумом в июле.

Среднесуточная температура самого холодного периода ноябрь-март -220 С. Средняя температура самого жаркого периода — июля +23,60 С.

Зима суровая, морозная и продолжительная. Самые холодные месяцы: январь и февраль с максимальной минимальной температурой -51,80 С (Таблица 2).

Годовая амплитуда температуры воздуха достигает 44°. Продолжительность периода со средней суточной температурой выше 0° - 190 дней, выше +5 и +10° - соответственно 157 и 116.

Лето сравнительно теплое и дождливое. Самый жаркий месяц — июль, его максимальная температура +39,60С.

Климатические данные приводятся в Таблицах 1 и 2 по данным ГУ «Тюменского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» (ГУ ТЦГМС). Справка №ЦГММ-17/53 от 01.04.2008 г.

Таблица 1. Климатические данные по данным ГУ «Тюменского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды»

Таблица 2. Максимальные значения климатических параметров

Таблица 3. Среднемноголетние температурные параметры по г. Тобольску

Ветровой режим Для Тобольского района характерна высокая повторяемость направлений ветра. В соответствии с изменением характера атмосферной циркуляции изменяется направление основных воздушных потоков и ветровой режим.

Преобладающими являются ветры западного направления, в зимний период преобладают ветры юго-западного направления, весной и осенью — ветры юго-восточного направления. Для летних месяцев характерны ветры — северного и северо-западного направлений. Повторяемость штилей в среднем составляет 12% в год.

Скорость ветра в течение года меняется незначительно и составляет в среднем 5−7 м/с. Дней с ураганным ветром (скорость 15 м/сек и более) в среднем 15 в году. Приурочены они в основном к зимнему периоду, реже к засушливым дням лета.

Максимальная из средних скоростей по румбам за январь — 6,3 м/сек.

Максимальная из средних скоростей по румбам за июль — 4,1 м/сек.

Преобладающие направления ветра по румбам показаны в таблице 4.

Осадки Основную массу атмосферных осадков на территорию района работ приносят ветры северного и северо-западного направления. Максимальное годовое количество осадков составляет 466 мм в год (Таблица 2). В зимний период регистрируется по 15−24 мм осадков в месяц. Большая часть осадков, таким образом, приходится на летние месяцы года (июнь-август) — 58−72 мм.

Обычная интенсивность осадков невелика, суточный максимум может достигать 65 мм.

В целом территория характеризуется умеренными показателями температуры воздуха, преобладают ветры небольшой скорости, с возможными сильными, резкими порывами (до 20 м/с) во время гроз, влажностный режим находится в зоне комфорта, количество осадков изменяется по сезонам года: большее количество осадков выпадает в летний период.

плотина гидрологический лесомелиоративный пруд Таблица 5. Среднемноголетнее число дней с твердыми, жидкими или смешанными осадками на территории Тобольского района

Таблица 6. Среднемноголетняя помесячная сумма осадков по Тобольскому району, мм.

1.3 Почвенные условия

Для почвы Тобольского района характерно: хорошая дренированность, развитие овражно-балочной сети, Биологической особенностью является значительное распространение болотных и иных болотных переувлажненных почв с замедленным круговоротом веществ. Это определяет низкую геохимическую устойчивость ландшафтов, широкое распространение сосновых лишайниковых лесов и луговых сообществ с активной минерализацией растительных остатков и закреплением веществ в гумусовом горизонте.

Встречаются дерново-глеевые, глеево-оподзоленные, но преобладают дерново-подзолистые почвы (Рис. 1).

2. Установка плотины

2.1 Выбор места под устройство плотины

Как правило, в целях экономии финансовых затрат и времени плотину проектируют в самом узком месте балки. Длина плотины не должна превышать 200−300 м.

На данном участке ориентировочно определяется уклон балки. Затем выбираем ориентировочно створ плотины, пометив это места штрих-линией.

Глубина балки определяется по формуле:

h_б=H_max — H_min

(то есть, от самой высокой отметки балки отнимаем самую низкую).

h_б=105−80=25 м

2.2 Конструкция плотины

В основном, для прудов характерны земляные плотины. Основные требования к плотинам в соответствии с СНиП 2.06.05−84*:

— устойчивость гребня и откосов; фильтрующая сквозь плотину вода не должна выносить частицы грунта (в нижнем бьефе располагают обратный дренаж или, иначе говоря, фильтрационную призму); защищенность верхового и низового откосов от размыва волнами и осадками; достаточно прочное основание плотины, исключающая посадки; устойчивость грунтов основания; размеры водосбросных сооружений не должны допускать перелив воды через гребень плотины; дно и откосы водосброса должны быть укреплены; под подошвой необходимо снять дерновый слой (во избежание фильтрации); конструкция и параметры плотины принимаются из условий минимальных фильтраций через ее тело к откосам из условий их устойчивости (этим требованиям отвечает форма поперечного сечений в виде трапеции).

Затем назначается материал из которого будет сооружаться плотина. Чаще это среднесуглинистый грунт с содержанием о 40−50% песка. Если плотина проектируется из данного типа грунта, то коэффициенты заложения можно принять равными 3,0 для мокрого откоса (верхний бьеф) и 2,0 для сухого откоса (нижний бьеф).

Целесообразно применить плотину из однородного грунта, так как в СНиП 2.06.05−84* рекомендуется, что при наличии в районе строительства достаточного количества относительно водонепроницаемых грунтов, особенно суглинков, лессов, строят плотину из однородного грунта.

В соответствии с СНиП 2.06.05−84*, земляные насыпные плотины можно возводить из всех видов грунтов, за исключением:

— содержащих водорастворимые включения хлоридных солей более 5% по массе, сульфатных или сульфатно хлоридных более 10% по массе;

— содержащих не полностью разложившиеся органические вещества (остатки растений, например) более 5% по массе или полностью разложившиеся органические вещества, находящиеся в аморфном состоянии, более 8% по массе.

Преимущества однородных плотин — простота и быстрота возведения, возможность применения комплексной механизации, что значительно снижает стоимость работ по сравнению с другими типами земляных плотин. На территории Тобольского района преимущественно расположены именно суглинки, что значительно упростит процесс возведения плотины с экономической и временной точки зрения.

В соответствии с СНиП 2.06.05−84*, мокрый откос плотины крепят бетонными плитами или камнем, сухой же покрывают дерном или засевают травами. Следовательно, для мокрого откоса проектируемой плотины будут применены бетонные плиты, а для сухого — дерн.

Для предохранения тела плотины и ее низового откоса от разрушения и для понижения уровня фильтрации вод на проетируемую платину сооружается дренажная призма, высота которой принимается за? от высоты плотины. Ширина призмы по верху 1−1,5 м, в поперечном сечении это форма трапеции с заложением откосов, равным 2.

2.3 Параметры плотины

Для определения высоты плотины необходимо знать отметку гребня плотины, ее подошвы. Отметка подошвы плотины — самое глубокое место дна балки. Плотину проектируют такой высотой, чтобы гребень был выше НПУ на величину запаса h_зап, находящийся по формуле:

h_зап=h_п+h_к+h_в, где

h_п — коротковременное переполнение пруда из-за притока талых вод, 0,4−1 м

h_к — капиллярное непромачивание гребня плотины, для суглинков 1−1,5 м)

h_в — величина, учитывающая накат и нагон ветром, 0,5−1 м Отметка гребя находится по следующей формуле:

H_греб=НПУ+h_зап

H_греб.=100+2=102

Определение высоты плотины происходит по формуле: H_плот=H_греб-h_дна

H_плот=102−77.4=24.6 м В соответствии с СНиП 2.06.05−84*, минимальная ширина гребня принимается 5−7 м, с учетом того, чтобы по плотине мог двигаться транспорт в двух направлениях и с учетом возможных ремонтных работ на месте плотины.

В данном случае предполагается проектирование плотины со строительством дороги III категории — автомобильные дороги общегосударственного, областного, местного значения. В соответствии с СНиП 2.06.05−84*, ширина проезжей части составит 7,0 м, ширина обочин составит 2,5 м. Следовательно, исходя из представленных данных, ширина гребня плотины будет составлять 12 м.

Ширина подошвы плотины рассчитывается по следующей формуле:

B=m₁?h_пл+m₂?h_пл+b, где

h — высота плотины, м

m₁, m₂ — коэффициенты заложения откосов соотв. мокрого и сухого

b — ширина гребня, м

B=3?24.6+2?24.6+7=130 м

3. Гидрологический расчет пруда

Необходимо определить следующие величины: водосборная площадь пруда для выбранного створа плотины, годовой приток воды V_р, мертвый V_МО и полный V_П объемы, нормальный подпорный уровень НПУ, потеря воды на фильтрацию V_Ф, величина испарения V_исп и полезный объем водохранилища V_плз.

Определение притока воды в пруд при 80% обеспеченности весеннего стока. Расчеты заполнения пруда для районов неустойчивого увлажнения ведутся только на весенние талые воды, летние осадки во внимание не берутся, так как не всегда прибывают в достаточном количестве.

Расчетный приток 80% вероятности характеризуется тем, что 80 раз в столетие фактический приток воды будет больше расчетного, а 20 раз меньше него.

Приток воды в пруд рассчитывается по следующей формуле:

V_80%=V_раб.=10?h_80%?W_в, м³

где, 10 — коэффициент перевода слоя стока из мм в м³/га;

h_80% — слой стока воды 80% обеспеченности, мм;

W_в — водосборная площадь.

V_раб.=10?112?162 160=181619200 м³

Гидрологические расчеты пруда предоставлены в Таблице 1.

Графическая характеристика пруда изображена на Рис. 2.

V_осадк.=W_в?10?h_атм, где h_атм — атмосферное давление в период май-июнь.

V_осад.=162 160?10?286=463 777 600 м³

V_подз.=10?h?W_в, где h — слой притока подземных вод

V_{подзем.}=10?40?11 000=4400000 м³

V_{общ.раб.}=V_раб.+V_{подзем.}+V_осадк.

V_{раб.общ.}=186 019 200+463777600=649 796 800 м³

Мертвый объем, МО — это придонная часть объема воды в пруду, который не расходуется на орошение и прочие сельскохозяйственные мероприятия. Это делается в силу того, чтобы водоем продолжал существовать даже при критическом истощении без вреда для функционирования флоры и фауны водоема с учетом образования льда. Как правило, по санитарным требованиям минимальный уровень МО принимают за 2−3 м, так как не происходит интенсивного зарастания пруда.

Задаваясь величиной глубины мертвого объема, определяют отметку воды мертвого объема Н_мо и площадь водного зеркала по графику.

V_мо=33 840?2.6=87 984 м³

Мертвый объем пруда заполняют один раз в первый же год его работы. Затем при весеннем снеготаянии в пруд поступает свернаходящийся в нем весенний сток h_80%, соответствующий рабочему объему пруда V_раб.

Если заполнить весь рабочий объем и мертвый объем, то в пруду устанавливается нормальный проектный или нормальный подпорный уровень НПУ воды, соответствующий полному объему пруда.

Характеристику пруда при его наполнении до полного объема следует определять в следующей последовательности:

1. Определяем объем пруда при полном заполнении:

V_п=V_мо+V_раб.

V_п=181 619 200+87984=181 707 184 м³

2. На построенной графической характеристике пруда найти пользуясь кривой V=f (H) отметку горизонта воды НПУ, соответствующий полному объему пруда. На шкале объемов находим V_п, доходим до кривой и находим точку, перпендикулярную кривой объемов V=f (H) и из точки пересечения проводим горизонтальную линию до шкалы отметок. Тем самым находим отметку полного объема НПУ. По графической характеристике пользуясь кривой S=f (H) определяем для найденного значения НПУ площадь зеркала пруда S_нпу.

Глубина воды у плотины равна h_нпу=H_нпу-H_дна(77.4)

h_нпу=100 — 77.4=22.6 м При хранении воды в пруду происходят непрерывные потери ее на:

а) испарение в поверхности;

б) инфильтрацию в дно и откосы пруда.

Потери следует определять в целом для года. Необходимо вычислить среднюю за год площадь водного зеркала, которая является расчетной при выявлении потерь.

S_ср=(S_мо+S_нпу)/2

S_ср==71 140 м²

Потери на испарение зависят от географического положения балки и местных условий. Зная величину слоя испарения e_80%, испаряемость и площадь водного зеркала S_ср определяем объем годового испарения пруда по формуле:

V_исп=10?е_80%?S_ср, м³

V_исп.=10?320?71 140=227648000 м³

Потери воды на фильтрацию через ложе пруда определяем по формуле:

V_ф=10?h_ф?S_ср, м³, где h_ф — слой воды на фильтрацию, мм

V_ф=10?300?71 140=213420000 м³

Величина объема расходных показателей составляет:

V_расх.=V_исп+V_ф, м³

V_расх.=213 420 000+227648000=441 068 000 м³

Полезный объем пруда V_плз — объем воды, который можно ежегодно изымать из пруда, равный рабочему его объему V_раб за вычетом всех потерь, м³ и определяется по формуле:

V_плз=V_{общ.раб.}-V_пот.

V_плз=649 796 800−463 777 600=186019200 м³

Определяем коэффициент полезного действия для оценки испарения воды при хранении в пруду:

КПД=V_плз/V_раб

КПД=186 019 200/649796800=0.286

4. Лесомелиоративные полосы

4.1 Конструкции полезащитных полос

Выбор типа конструкции лесозащитных полос является ответственным мероприятием, так как определяет мелиоративную роль и особенности размещения лесных полос, их агрономическую и экономическую эффективность.

Необходимо учитывать почвенно-климатические условия, а так же назначение лесных полос, местный опыт выращивания и некоторые другие факторы.

При выборе и обосновании данного параметра полос надо иметь в виду, что они должны быть по возможности более узкими, но с другой стороны они должны обладать высокой биоустойчивостью.

В основном закладывают полезащитные полосы 3−4-рядными, но не более чем 5 рядов и шириной во всех случаях не более 15 м. Рекомендуемая ширина между лесополосами 7.5−15 м.

Существует три основных типа конструкций лесных полос.

1. Продуваемая конструкция: в лесостепных районах с холодной зимой и устойчивым снежным покровом с целью равномерного снегораспределения;

2. Ажурная конструкция: в районах с резко выраженными пыльными бурями и неустойчивым снежным покровом;

3. Ажурно-продуваемая конструкция: в районах с сильными метелями и большими снегопадами, где проявляются ветровые эрозии и метели. Так же, продуваемые создают при почвозащитной системе земледелия, а ажурные при отвальной системе.

Как показали исследования Омского аграрного университета, в районах с достаточным выпадение и значительным переносом снега проявили перспективность полосы ажурной конструкции с карликовыми кустарниками высотой 0.5−0.7 м. Они обеспечили рациональное распределение снега между полем и полосой и отличились большой устойчивостью по сравнению с продуваемыми полосами.

Для территории Западной Сибири, где и располагается Тобольский район, рекомендуются полосы продуваемой и ажурно-продуваемой конструкции, которые в данных почвенно-климатических условиях более эффективны. Целесообразно вводить один или несколько рядов кустарников для снегозадержания и обеспечения влагой древесных пород полосы. Наличие кустарников в ажурно продуваемой конструкции необходимо и с точки зрения возможного благоустройства пруда и формирования на его территории рекреационной зоны. В таком случае ажурно продуваемая конструкция с кустарниковой растительностью не только придаст иное эстетическое значение конструкции, но и будет препятствовать проникновению сильных ветров.

4.2 Ассортимент растений

Для создания необходимых конструкций подбирают типы и способы смешения древесных и кустарниковых пород в полосе. Тип смешения характеризуется участием в насаждении отдельных групп пород:

— главных (береза повислая, тополь сибирский, лиственница, ива);

— сопутствующих (вяз обыкновенный, яблоня сибирская, липа, клен);

— кустарниковых (смородина золотая, ирга обыкновенная, жимолость татарская).

Так же целесообразно вводить в полосы ясень зеленый, березу повислую, рябину сибирскую, клен татарский, тополь белый / черный и др.

Для создания лесомелиоративной полосы были выбраны следующие породы:

— береза повислая. В условиях Западной Сибири — один из самых быстрорастущих, засухоустойчивых видов и распространенных видов. Характерна для лесоразведения на всех почвах лесостепи. Так же используется для благоустройства территорий в рядовых посадках.

— тополь сибирский. Самый быстрорастущий вид. Несмотря на повреждаемость насекомыми, рекомендуется для широкого использования при создании полезащитных лесополос, поскольку всасывает в себя большое количество влаги, особенно ранней весной. Так же широко используется и для озеленения благоустраиваемых территорий.

— жимолость татарская. Высокий кустарник до 3 м, широко используемый в лесополосах. Жимолость татарская неприхотлива к условиям произрастания, хорошо переносит стрижку, обладает довольно привлекательными цветками, превращающимися к концу лета в спаренные шаровидные плоды желтой, оранжевой или красной окраски, что дает возможность не только использовать ее как элемент лесомелиоративной полосы, но и как элемент благоустройства пруда.

Схема лесомелиоративной полосы изображена на Рис. 6.

1. СНиП 2.06.05−84* «Плотины из грунтовых материалов»;

2. Агроклиматические ресурсы Тюменской области. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. 150 с.;

3. Каретин Л. Н. Почвы Тюменской области. Новосибирск: «Наука», 1990. 286 с.;

4. Голованов А. И., Балан А. Г., Ермакова В. Е., Ефимов И. Т. Мелиоративное земледелие. Москва, Агропромиздат 1986.;

5. Зеленая книга Тюменской области [Интернет-ресурс]: Экологический атлас Тобольского района — http://eco.tgspa.ru/ground.php;

6. Тюменский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды [Интернет-ресурс]: Климатические характеристики — http://pogoda.ru.net/climate/28 275.htm.