Проектирование оросительной системы лесного питомника

1. Организация территории орошаемого лесопитомника

2. Режим орошения лесных и сельскохозяйственных культур в лесопитомнике

3. Определение объема воды для орошения и сельскохозяйственного водоснабжения

3.1 Расчет объема воды для орошения лесопитомника

3.2 Расчет объема воды на сельскохозяйственное водоснабжение

4. Оросительная система лесного питомника и её основные элементы

5. Проектирование пруда на местном стоке

5.1 Выбор места под пруд и плотину

5.2 Батиграфические характеристики пруда

6. Расчет характеристик пруда сезонного регулирования

6.1 Определение полезного объема пруда

6.2 Определение мертвого объема пруда

6.3 Определение потерь воды на испарение и фильтрацию

6.4 Расчет рабочего и полного объемов пруда

7. Проектирование насыпной плотины

7.1 Определение основных размеров плотины

7.2 Построение сечений и плана насыпной плотины

8. Проектирование водосбросного сооружения

8.1 Основные правила размещения водосбросного сооружения на местности

8.2 Расчет максимального расхода балочного стока в период весеннего снеготаяния

8.3 Гидравлический расчет подводящего канала водосбросного сооружения

9. Выбор способа полива в орошаемом лесопитомнике

10. Составление графика водоподачи на орошаемый лесопитомник

11. Определение размеров отделений орошаемого лесопитомника

12. Размещение и создание элементов оросительной системы

12.1 Размещение и создание водонапорной оросительной сети

12.2 Размещение и создание самотечной оросительной сети

12.3 Размещение и создание защитных лесных насаждений и дорожной сети

13. Расчет капитальных вложений на строительство оросительной системы

Регулирование водного режима почв обеспечивают гидротехнические мелиорации. Это достигается путем орошения, осушения, двустороннего регулирования водного режима, обводнения территории.

Орошение — процесс увлажнения поверхности или насыщения водой компонентов или объектов окружающей природной среды (почв, грунтов, воздуха, растений, техногенных объектов). В степной зоне орошение почв используют при выращивании зерновых и овощных культур, садов, виноградников, а также лесных культур.

Проведение в степной зоне работ по защитному лесоразведению требует большого количества посадочного материала, который выращивают в лесных питомниках. Для получения максимального количества стандартных сеянцев и саженцев с единицы площади, снижения сроков выращивания и себестоимости посадочного материала необходимо правильно организовать территорию лесопитомника, строго соблюдать агротехнику выращивания, а также развивать выращивание посадочного материала с использованием поливов.

Специалисты лесного хозяйства, занимающиеся поливным лесоразведением, должны иметь определенный навык в области комплексного использования вод местного стока и организации поливов в лесных питомниках.

Местный сток — сток дождевых и талых вод с малых водосборов, накапливаемый в малых водоемах (лиманах, болотах, озерцах) или стекающий по временным водотокам (балкам, оврагам) и не имеющий водохозяйственного значения без регулирования.

Резервы местного стока в степной зоне довольно велики. Так, в Ростовской области они могут обеспечивать площадь орошения до 68 тыс. га. При использовании местного стока наибольшее распространение получили водохранилища, пруды, копани, наливные бассейны.

Источниками воды для орошения лесных питомников степной зоны могут быть пруды, создаваемые на балках. Строительство прудов на балках позволяет использовать воды местного стока для орошения, водоснабжения, обводнения, разведения рыбы и водоплавающей птицы, рекреации. Орошение на местном стоке осуществляется самостоятельными небольшими системами и поэтому вполне доступно коллективным сельскохозяйственным предприятиям, акционерным обществам, а также предприятиям лесного хозяйства.

Цель проекта — получить навыки проектирования земляной плотины, водосбросного сооружения, оросительной сети для выращивания качественного посадочного материала в лесном питомнике; научиться рассчитывать объемы воды для орошения и сельскохозяйственного водоснабжения, характеристики пруда и водосбросного сооружения, капитальные вложения на строительство плотины и орошаемого участка.

1. Организация территории орошаемого лесопитомника

Площадь лесного питомника зависит от производственной мощности, ассортимента и возраста выращивания пород, выбранного севооборота.

На территории орошаемого лесопитомника размещают посевное, школьное и маточное отделения, прикопочный участок, компостник, усадьбу, дороги, лесополосы и др.

Увлажнение почвы при выращивании лесных и сельскохозяйственных культур в лесном питомнике будет осуществляться как естественными осадками, так и путем орошения. Для этого на территории лесопитомника проектируют оросительную систему. Для орошаемых земель существуют понятия «площадь орошения нетто» и «площадь орошения брутто».

Площадь орошения нетто — площадь земель оросительной системы, занятая посевами орошаемых сельскохозяйственных культур, а также посевами и посадками орошаемых лесных культур.

Площадь орошения брутто — площадь оросительной системы, включающая площадь орошения нетто и площади отчуждений, занятые дорогами, лесными полосами, сооружениями и другой инженерной инфраструктурой, обеспечивающей функционирование и эксплуатацию системы.

Площадь орошения нетто S_нт, га, связана с площадью орошения брутто следующей зависимостью:

S_нт = S_брЧk_исп, (1)

где S_бр — площадь орошения брутто, га;

k_исп — коэффициент использования земельных угодий.

S_нт пос = 44Ч0,8 = 35,2 га;

S_нт шк = 33Ч0,8 = 26,4 га;

S_нт мат = 6Ч0,8 = 4,8 га.

Во всех отделениях питомника будет производиться полив выращиваемых лесных и сельскохозяйственных культур. Поэтому общая площадь орошения S_нт общ, га, будет равна:

S_нт общ = S_нт пос + S_нт шк + S_нт мат, (2)

где S_нт пос — площадь орошения нетто посевного отделения питомника, га;

S_нт шк — площадь орошения нетто школьного отделения питомника, га;

S_нт мат — площадь орошения нетто маточного отделения питомника, га.

S_нт общ = 35,2 + 26,4 + 4,8 = 66,4 га.

Хозяйственные строения, защитные лесные насаждения, дороги, оросительная сеть каналов и другие сооружения занимают 10 — 25% от всей площади питомника. Поэтому коэффициент использования земельных угодий k_исп принимают в пределах 0,75 — 0,9.

В плане отделения питомника имеют форму прямоугольника. Площади отделений разбивают на поля прямоугольной формы. С учетом рекомендуемой поливальной техники (ДДА-100ВХ) длинная сторона полей должна составлять 400 — 800 м, а короткая — 120 м.

По периметру площади питомника, вдоль основных дорог и постоянных распределительных каналов на территории питомника высаживают защитные лесные полосы.

Для восстановления плодородия почвы, улучшения ее водно-физических свойств, обеспечения эффективной борьбы с сорняками на питомниках вводят севообороты. Севооборот — система размещения и чередования сельскохозяйственных или лесных культур, а также паров по полям и по времени.

В посевном отделении орошаемых питомников, расположенных в степной зоне Европейской территории России, можно использовать следующую схему севооборота:

1 поле — посев однолетних трав;

2 поле — сеянцы однолетние;

3 поле — сеянцы двухлетние;

4 поле — чистый пар с внесением органических и минеральных удобрений;

5 поле — сеянцы однолетние;

6 поле — сеянцы двухлетние.

В школьном отделении также вводят севооборот. Число полей здесь зависит от количества лет выращивания саженцев. В условиях степи в школьном отделении можно использовать следующий севооборот:

1 поле — чистый пар с внесением удобрений;

2 поле — однолетние саженцы;

3 поле — саженцы двухлетние;

4 поле — саженцы трехлетние.

2. Режим орошения лесных и сельскохозяйственных культур в лесопитомнике

Орошение повышает выход посадочного материала и улучшает его качество. Опытами установлено, что посадочный материал, выращенный в орошаемых питомниках, отличается большой устойчивостью, выносливостью и приживаемостью.

Преимущества орошения сказываются в полной мере в том случае, если строго выполняется принятый научно обоснованный режим орошения посадочного материала и маточных насаждений.

Режим орошения — совокупность взаимоувязанных и взаимообусловленных чисел, сроков, продолжительности и норм поливов сельскохозяйственных или лесных культур. Режим орошения устанавливают в результате аналитического расчета или определяют опытным путем на основании многочисленных полевых исследований.

Оросительной нормой называется необходимый объем воды для орошения единицы площади за оросительный период.

При аналитическом расчете величину оросительной нормы определяют из уравнения водного баланса, составленного для расчетного года с заданной обеспеченностью осадками. За расчетный год принимают обычно сухой год 95% обеспеченности осадками.

В уравнение водного баланса орошаемого поля входят расходные и приходные элементы. Расходными элементами водного баланса являются транспирация и испарение с поверхности почвы, которые выражают в виде суммы, называемой суммарным водопотреблением. К приходным элементам баланса относится влага, которая доступна растениям в естественных условиях. Это атмосферные осадки, пресные грунтовые воды и запасы влаги, находящиеся в почве.

Таким образом, оросительная норма восполняет недостаток влаги в почве, который равен разности между суммарным водопотреблением и естественными водными ресурсами, используемыми растениями для своего роста и развития.

Оросительная норма составляет величину несколько тысяч м³/га и предназначена для поддержания влажности почвы в оптимальных пределах на протяжении всего оросительного периода. Для этого в течение оросительного периода проводят периодические поливы. В результате весь объем оросительной нормы делят на отдельные части, называемые поливными нормами.

Поливной нормой называется объем воды, подаваемый на единицу орошаемой площади за один полив.

Величина поливной нормы зависит от глубины слоя почвы, в котором необходимо создавать и поддерживать легкодоступный для растений запас влаги, от способности почвы удерживать в себе воду и минимально допустимой влажности, при которой обеспечивается нормальный рост и развитие растений.

Способность почвы удерживать в себе воду определяется ее наименьшей влагоемкостью. При влажности, соответствующей наименьшей влагоемкости, почва способна удерживать молекулярными и капиллярными силами максимум воды без стекания ее в нижние горизонты.

Наименьшая влагоемкость определяет высший допускаемый предел содержания влаги в почве. Нижний допускаемый предел влажности почвы при орошении соответствует 60−70% наименьшей влагоемкости.

Когда влажность почвы достигнет своего нижнего допускаемого предела, необходимо производить полив. При этом влажность почвы повышается и доводится до своего верхнего предела, то есть до наименьшей влагоемкости.

Зная суммарную величину дефицитов водного баланса для данной культуры за период вегетации и расчетную величину поливной нормы, определяют число вегетационных поливов.

В зависимости от района расположения питомника, типа и гранулометрического состава почв выбираем рекомендуемый режим орошения для выращиваемого посадочного материала и сельскохозяйственных культур. Все данные по режиму орошения культур в каждом отделении лесопитомника записываем в таблицу 1.

Таблица 1 — Режим орошения лесных и сельскохозяйственных культур в лесопитомнике для зоны черноземных почв на тяжелых и средних суглинках

3. Определение объема воды для орошения и сельскохозяйственного водоснабжения

3.1 Расчет объема воды для орошения лесопитомника

Объем воды нетто, необходимый для полива лесных и сельскохозяйственных культур посевного и школьного отделений, а также маточных растений маточного отделения питомника W_нт, м³, определяют по зависимости:

W_нт = N_ор кул Ч S_нт кул, (3)

где N_ор кул — оросительная норма для данной культуры, м³/га;

S_нт кул — площадь орошения нетто для данной культуры в севообороте, га.

Площадь орошения нетто, занимаемую данной лесной или сельскохозяйственной культурой в севообороте отделения питомника, вычисляют по формуле:

S_нт кул = S_{нт с/об} Ч n_кул / n_с/об, (4)

где S_{нт с/об} — площадь орошения нетто всего севооборота соответствующего отделения питомника, га;

n_кул — число полей в севообороте с данной лесной или сельскохозяйственной культурой, шт.;

n_с/об — число полей севооборота, шт.

S_{нт сеянц} = ;

S_нт саж = ;

S_нт тр = .

Расчет объемов воды для полива посевного, школьного и маточного отделений питомника проводят в табличной форме (таблица 2).

Таблица 2 — Объемы воды для полива посевного, школьного и маточного отделений питомника

При поливах будут иметь место потери воды на испарение и фильтрацию из оросительных каналов и на орошаемом поле. Объем воды брутто, необходимый для орошения питомника с учетом потерь W_бр, м³, определяют по формуле:

W_бр = (5)

где — коэффициент полезного действия оросительной системы. Он принимается в пределах 0,85−0,9.

W_бр = 145 000 м³

3.2 Расчет объема воды на сельскохозяйственное водоснабжение

Плотинные пруды на балках обычно используют комплексно. Они являются источниками воды для орошения, водоснабжения животноводческих комплексов и ферм, хозяйственных и производственных нужд. Также они могут быть приспособлены для рыборазведения и рекреации.

Годовой объем воды для хозяйственного и производственного водопотребления W_в/потр, м³/год, определяют по зависимости:

W_в/потр = ?, (6)

где — норма водопотребления, л/сут;

— число суток в году (принимается 365 суток);

— количество водопотребителей, голов, шт.

Расчет объемов воды для целей водоснабжения животноводческих и птицеводческих ферм, мастерских, машинно-тракторного парка проводят в табличной форме (таблица 3).

Таблица 3 — Объемы воды для хозяйственного и производственного водопотребления

Также предусматривают запас объема воды для тушения пожаров. Объем воды для пожаротушения W_пож/т, м³/год, вычисляют по формуле:

W_пож/т = 1314 Ч n_пож Ч Q_пож/т Ч t_пож/т, (7)

где n_пож — количество пожаров в день, шт.;

Q_пож/т — расход воды при пожаротушении, л/с;

t_пож/т — продолжительность пожаротушения, час.

Для населенных пунктов с количеством жителей до 10 тысяч человек расчетное количество одновременных пожаров в день принимается равным одному, расход воды при пожаротушении — 10 л/с, продолжительность тушения — 2−3 часа.

W_пож/т = 1314 Ч 1 Ч 10 Ч 2 = 26 280 м³/год

4. Оросительная система лесного питомника и её основные элементы

Оросительная система — вид гидромелиоративной системы, обеспечивающей увлажнение мелиорируемого объекта путем подвода и распределения природных вод.

Оросительная система лесного питомника состоит из следующих элементов: источник орошения, головное водозаборное сооружение, оросительная сеть, гидротехнические сооружения на оросительной сети, сбросная сеть, дороги, лесополосы, орошаемые земли.

Источник орошения — водный объект, потенциально пригодный или реально используемый для забора воды в оросительную систему в необходимом объеме, в определенные сроки и нормативного качества.

При орошении на местном стоке источниками орошения являются пруды сезонного регулирования, которые устраивают на балках.

Головное водозаборное сооружение — водозаборное устройство, посредством которого осуществляется забор воды из водного объекта и подача ее в водоводы или водоприемные бассейны. В зависимости от условий командования уровней воды в источнике орошения над орошаемой поверхностью может быть принят самотечный или водоподъемный (машинный) забор.

При самотечном водозаборе в теле плотины устраивают трубчатый водовыпуск, который располагают на отметке уровня мертвого объема пруда.

При водоподъемном заборе основным элементом головного водозаборного сооружения является насосная установка. Насосная установка может быть стационарной или передвижной.

Оросительная сеть — система физически взаимосвязанных и функционально взаимоувязанных водоводов различного порядка, обеспечивающих регулируемый во времени и по объемам подвод воды из источника орошения к орошаемому объекту и подачу ее поливными средствами на объект орошения.

Гидротехнические сооружения на оросительной сети обеспечивают осуществление планового водопользования на системе. С помощью гидротехнических сооружений воду транспортируют через искусственные или естественные препятствия, встречающиеся по трассе каналов; ведут учет воды; производят регулирование уровней и расходов воды в каналах.

Сбросная сеть служит для сброса воды из каналов (трубопроводов) после окончания поливов или на период ремонта оросительной сети.

Дорожная сеть обеспечивает транспортную связь между хозяйственными частями питомника.

Защитные лесные насаждения на оросительной системе уменьшают скорость ветра и затеняют каналы. Это способствует повышению качества полива и сокращает потери воды на испарение. Также защитные насаждения создают благоприятные микроклиматические условия для культур на полях севооборотов.

Орошаемые земли — поля севооборотов и отделений питомника, на которые доставляется вода, чтобы создать оптимальный водно-воздушный режим почв для выращиваемых на них лесных и сельскохозяйственных культур.

5. Проектирование пруда на местном стоке

5.1 Выбор места под пруд и плотину

Пруд — искусственный мелководный водоем площадью зеркала до 1 км² и объемом до 1 млн. м³ воды.

Место для пруда выбирают по возможности ближе к потребителям воды, которыми в нашем случае являются орошаемый лесопитомник, животноводческие и птицеводческие фермы, мастерские, машинно-тракторный парк.

Пруд не должен загрязняться поверхностными водами, стекающими с территорий населенного пункта и ферм, поэтому створ плотины назначают выше этих объектов.

При выборе балки для строительства пруда необходимо, чтобы береговые склоны в пределах пруда были не слишком крутыми и не пологими.

Минимальная глубина воды у плотины должна составлять 2,0−2,5 м, а средняя глубина пруда — не менее 1,5 м. Среднюю глубину пруда Н_пр, м, рассчитывают по отношению:

Н_пр =, (8)

где — полный объем пруда, м³;

площадь зеркала воды при нормальном подпорном уровне, м².

Н_пр = 489 737,52/146 000 = 3,4 м Полный объем пруда определяют расчетным путем, а площадь зеркала воды при НПУ — по графику батиграфических кривых пруда.

Створ плотины необходимо располагать в наиболее узком месте балки, чтобы объем земляных работ при строительстве плотины был минимальным. При этом образовавшаяся чаша пруда должна вместить расчетный объем воды.

Вопрос о возможности использования балки под пруд решается на основе данных гидрогеологических изысканий. Для этого определяют физико-механические и фильтрационные свойства грунтов дна и склонов балки. Фильтрационные свойства грунтов должны быть такими, чтобы потери воды на фильтрацию были минимальными. В этом отношении наиболее пригодными являются балки, у которых склоны и дно слагаются из водонепроницаемых грунтов мощностью не менее 1,0 м.

5.2 Батиграфические характеристики пруда

Батиграфические характеристики пруда представляют собой зависимости площади водного зеркала S_зерк, м², и объема воды W_пр, м³, от отметки уровня или глубины воды в пруду:

S_зерк = f (H_пр),

W_пр = f (H_пр),

где H_пр — глубина воды в пруду, м.

Батиграфические кривые площадей и объемов размещают на одной координатной плоскости.

Расчет площадей зеркала, объемов воды и построение графика батиграфических характеристик проводят в следующей последовательности.

На топографическом плане балки наносят створ насыпной плотины.

Последовательно определяют площади зеркала воды, ограниченные створом плотины и каждой из горизонталей, расположенных вверх по балке от створа. Определение этих площадей проводят с помощью палетки.

Рассчитываем объемы воды между плоскостями, ограниченными соответствующими горизонталями. Первый объем воды, заключенный между дном балки и плоскостью, проходящей через первую горизонталь, W₁, м³, определяют по формуле:

W₁ = 1/3 Ч h₁ Ч S₁, (9)

где h₁ — вертикальное расстояние от тальвега балки в створе плотины до плоскости, проходящей через первую горизонталь, м;

S₁ — площадь зеркала воды, ограниченная первой горизонталью и створом плотины, м².

W₁ = 1/3 Ч 0,4 Ч 1,00 = 0,13 м³

Последующие объемы чаши пруда, заключенные между плоскостями, проходящими через соседние горизонтали, W_гор, м³, вычисляют по зависимости:

W_гор = (S_n + S_n+1) / 2 Ч h_сеч, (10)

где S_n, S_n+1 — площади зеркала воды, ограниченные соседними горизонталями, м²;

h_сеч — высота сечения горизонталей, м.

Последовательно складывая объемы воды между дном и следующей горизонталью, определяем суммарный объем чаши пруда в зависимости от глубины воды. Результаты расчетов заносим в таблицу 4.

Таблица 4 — Площади зеркала и объемы воды в зависимости от глубины пруда

По результатам расчетов строим график батиграфических характеристик пруда.

6. Расчет характеристик пруда сезонного регулирования

Сезонное регулирование стока обусловлено неравномерностью внутригодового распределения стока, ежегодно повторяющимися периодами чередования повышенных и пониженных расходов, несовпадением режимов стока и водопотребления.

Сезонное регулирование поверхностного стока — процесс перераспределения поверхностного стока по сезонам в пределах одного года. При сезонном регулировании пруд наполняется в многоводные периоды времени (весеннее половодье, летние паводки), а затем накопленный объем воды расходуется в маловодные периоды года (летняя межень), покрывая дефициты отдачи.

6.1 Определение полезного объема пруда

Полезный объем пруда — объем воды, который может быть использован для водоснабжения различных потребителей. Полезный объем пруда равен суммарному водопотреблению, размер которого зависит от состава и количества водопотребителей.

При эксплуатации пруда водопотребление будет возрастать, поэтому необходимо учесть дополнительный полезный объем воды на перспективу. Он принимается в размере 20% от установленного полезного объема.

Таким образом, полезный объем пруда W_полез, м³, будет равен:

W_полез = 1,2 Ч (W_бр + W_в/потр + W_пож/т), (11)

где W_бр — объем воды брутто для орошения, м³ (формула 5);

W_в/потр — объем воды для хозяйственного и производственного водопотребления, м³ (таблица 3);

W_пож/т — объем воды для пожаротушения, м³ (формула 7).

W_полез = 1,2 Ч (145 000 + 62 520,85 + 26 280) = 280 561,02 м³

6.2 Определение мертвого объема пруда

Мертвый объем пруда — объем воды, предназначенный для размещения наносов, поступающих в чашу пруда в течение принятого срока его службы. Период времени, в течение которого полностью заиляется мертвый объем, называется сроком службы пруда. В зависимости от местных условий и хозяйственных требований срок заиления мертвого объема принимают в пределах от 30 до 50 лет (принимаем 45 лет).

Среднее годовое количество наносов W_нан, м³, поступающее с площади водосбора в чашу пруда, определяем по отношению:

W_нан =, (12)

где — средняя мутность воды рек, г/м³ (принимаем 300 г/м³);

— переходный коэффициент от мутности постоянных к мутности временных водотоков. При площади водосбора 5−10 км² значение переходного коэффициента = 15−10; при площади водосбора 10−30 км² — =10−7;

— средний многолетний объем годового стока, м³ (формула 13);

r — доля влекомых по дну наносов, от объема взвешенных. Долю влекомых по дну наносов принимают в пределах 0,02−0,06;

— средняя концентрация отложений наносов, т/м³. Среднюю концентрацию отложений наносов принимают 0,8 т/м³.

W_нан = = 1071 м³

Средний многолетний объем годового стока, м³, рассчитываем по формуле:

W_ст = 1000 Ч h_сл.ст. Ч S_в/с Ч k_ум, (13)

где h_сл.ст. — средняя высота слоя весеннего стока, мм (принимаем 32 мм);

S_в/с — площадь водосбора балки, км²;

k_ум — коэффициент уменьшения стока с малых водосборов. Принимают в пределах 0,8−0,9.

W_ст = 1000 Ч 32 Ч 10 Ч 0,85 = 272 000 м³

Величину мертвого объема W_м, м³, которая равна объему отложившихся наносов за срок службы пруда, вычисляют по формуле:

W_м = k_зад Ч W_нан Ч t₃, (14)

где k_зад — коэффициент, учитывающий величину задержанных в пруду наносов. От 60 до 80% поступивших в пруд наносов откладывается на дне. Остальные 20−40% выносятся из него со сбросной и оросительной водой. Поэтому k_зад принимают равным 0,6−0,8;

t₃ — период заиления мертвого объема или срок службы пруда (t₃ = 30−50 лет).

W_м = 0,7 Ч 1071 Ч 45 = 33 736,5 м³

Уровень воды в пруду, соответствующий мертвому объему пруда, называется уровнем мертвого объема (УМО).

По батиграфическим кривым пруда (рисунок 1) определяем глубину воды у плотины (Н_умо), отметку уровня воды (vУМО) и площадь водного зеркала (S_умо), соответствующие мертвому объему пруда.

Согласно графику, Н_умо = 3,3 м;

vУМО = 78,9 м;

S_умо = 20 тыс. м².

6.3 Определение потерь воды на испарение и фильтрацию

В процессе эксплуатации пруда вода теряется на испарение и фильтрацию. В результате площадь зеркала пруда уменьшается. Поэтому при установлении объема воды на эти потери, принимают площадь зеркала, которая соответствует среднему объему пруда. Средний объем пруда W_пр, м³, находим по зависимости:

W_пр = W_м + W_полез / 2k_п.д.пр, (15)

где W_м — мертвый объем пруда, м³ (формула 14);

W_полез — полезный объем пруда, м³ (формула 11);

k_п.д.пр — коэффициент полезного действия пруда. Коэффициент полезного действия пруда принимаем в пределах 0,7−0,8.

W_пр = 33 736,5 + 280 561,02 / (2 Ч 0,75) = 220 777,18 м³

Используя график батиграфических кривых, устанавливаем площадь зеркала воды, соответствующую среднему объему пруда (S_ср.об.) (рисунок 1):

S_ср.об = 86 тыс. м².

Высоту слоя воды, теряемого за год на испарение с водной поверхности, определяем по карте испарения с поверхности малых водоемов (МУ, рисунок 4).

Потери воды на фильтрацию зависят от водопроницаемости грунтов, слагающих ложе пруда. Приблизительные годовые потери на фильтрацию составляют следующие значения: слабая водопроницаемость грунтов — 0,5 м; средняя водопроницаемость грунтов — 0,5−1,0 м; хорошая водопроницаемость грунтов — 1,0−1,5 м.

Годовой объем потерь воды на испарение и фильтрацию W_пот, м³, рассчитываем по уравнению:

W_пот = (h_сл.исп + h_сл.фил) Ч S_ср.об, (16)

где h_сл.исп — высота слоя воды, теряемого за год на испарение, м (МУ, рисунок 4);

h_сл.фил — высота слоя воды, теряемого за год на фильтрацию, м;

S_ср.об — площадь зеркала воды, соответствующая среднему объему пруда, м².

W_пот = (0,84 + 1,2) Ч 86 000 = 175 440 м³

6.4 Расчет рабочего и полного объемов пруда

Рабочий объем пруда складывается из полезного объема и объема потерь на испарение и фильтрацию, а полный объем равен сумме рабочего и мертвого объемов пруда.

Таким образом, рабочий W_раб, м³, и полный объемы пруда W_полн, м³, вычисляем по формулам:

W_раб = W_полез + W_пот, (17)

W_полн = W_раб + W_м, (18)

где W_полез — полезный объем пруда, м³ (формула 11);

W_пот — объем воды, теряемый на испарение и фильтрацию, м³ (формула 16);

W_м — мертвый объем пруда, м³ (формула 14).

W_раб = 280 561,02 + 175 440 = 456 001,02 м³,

W_полн = 456 001,02 + 33 736,5 = 489 737,52 м³.

При заполнении чаши пруда полным объемом, вода достигнет уровня, который называется нормальным подпорным уровнем.

Нормальный подпорный уровень (НПУ) — высший подпорный уровень воды в пруду, соответствующий расчетному режиму его эксплуатации.

По графику батиграфических характеристик (рисунок 1) определяем глубину воды у плотины (Н_нпу), отметку нормального подпорного уровня (vНПУ) и площадь водного зеркала (S_нпу) соответствующие полному объему пруда (W_полн).

Согласно графику, Н_нпу = 9,4 м; vНПУ = 85 м; S_нпу = 146 тыс. м².

В периоды прохождения половодья и паводков в пруду аккумулируется дополнительный объем воды, называемый объемом форсировки. При этом вода в пруду поднимается до своего максимального уровня, называемого форсированным подпорным уровнем.

Форсированный подпорный уровень (ФПУ) — наивысший уровень подъема воды в пруду, допускаемый в периоды половодий и паводков, при котором обеспечивается устойчивость водоподпорных и водосбросных сооружений. Для плотинных прудов уровень объема форсировки может превышать НПУ на 0,6−0,8 м. Таким образом, максимальная глубина воды у плотины, соответствующая форсированному подпорному уровню Н_фпу, м, составит:

Н_фпу = Н_нпу + ?h_фпу, (19)

где Н_нпу — глубина воды у плотины при нормальном подпорном уровне, м;

?h_фпу — превышение форсированного уровня над нормальным подпорным уровнем (?h_фпу = 0,6−0,8 м).

Н_фпу = 9,4 + 0,7 = 10,1 м По батиграфическим кривым находим отметку (vФПУ) и площадь зеркала (S_фпу), соответствующие форсированному подпорному уровню воды в пруду (Н_фпу).

Согласно графику, vФПУ = 85,7 м; S_фпу = 188 тыс. м².

По полученным отметкам на топографическом плане чаши пруда оконтуривают урезы воды, соответствующие уровню мертвого объема, нормальному и форсированному подпорным уровням.

7. Проектирование насыпной плотины

7.1 Определение основных размеров плотины

Плотина — водоподпорное сооружение, перегораживающее водоток для подъема в нем уровня воды.

При устройстве прудов на местном стоке получили распространение глухие насыпные плотины, которые возводят послойной отсыпкой и послойным уплотнением однородного грунта. Насыпные плотины строят из маловодопроницаемых грунтов (суглинки). Такие плотины отличаются простотой конструкции и позволяют полностью механизировать процесс строительства.

Поперечному профилю плотины придают форму трапеции. Основными элементами плотины являются гребень, мокрый откос, сухой откос и основание. При проектировании плотины необходимо рассчитать высоту сооружения, ширину гребня, ширину основания, а также определить коэффициенты заложения откосов.

Проектную высоту Н_пл. пр., м, вычисляют по формуле:

Н_{пл. пр} = Н_фпу + ?h_гр, (20)

где Н_фпу — глубина воды у плотины на отметке ФПУ, м;

?h_гр — превышение гребня плотины над форсированным подпорным уровнем воды, м.

Н_{пл. пр} = 10,1 + 1,7 = 11,8 м Превышение гребня плотины над уровнем воды на отметке ФПУ рассчитывают по зависимости:

?h_гр = h_нак + z, (21)

где h_нак — высота наката волны на мокрый откос, м;

z — конструктивный запас. Принимается в интервале 0,8−1,0.

?h_гр = 0,8 + 0,9 = 1,7 м Высоту наката волны находим по уравнению Н. Н. Джунковского:

h_нак = 3,2 Ч h_вол Ч k_ш Ч tgб, (22)

где h_вол — высота волны, м;

k_ш — коэффициент, зависящий от шероховатости откоса. Если не предусмотрено крепление мокрого откоса, то коэффициент принимаем равным 1,0.

tgб — тангенс угла, между мокрым откосом плотины и горизонтальной осью.

h_нак = 3,2 Ч 0,853 Ч 1 Ч 0,3 = 0,8 м Тангенс угла, образуемого мокрым откосом плотины с горизонтальной осью, определяем через коэффициент заложения этого откоса:

tgб =, (23)

где — коэффициент заложения мокрого откоса.

tgб = = 0,3

Коэффициент заложения откоса показывает во сколько раз проекция откоса на горизонтальную ось больше высоты насыпи или глубины выемки. Коэффициенты заложения откосов плотины принимаем в зависимости от гранулометрического состава грунта тела плотины и максимальной глубины воды у плотины (таблица 5).

Таблица 5 — Коэффициенты заложения откосов плотины

Высоту волны рассчитывают по упрощенной формуле Е. А. Замарина:

h_вол = 0,75 + 0,1L, (24)

где L — длина разгона волны, км.

h_вол = 0,75 + 0,1 Ч 1,03 = 0,853 м Длину разгона волны принимают равной длине зеркала пруда на отметке НПУ. Длину зеркала пруда замеряют на плане в горизонталях от створа плотины и по масштабу переводят в километры.

Зная высоту плотины, определяем отметку гребня vГр, м:

vГр = vТал + Н_пл. пр., (25)

где vТал — отметка тальвега балки в створе плотины, м.

vГр = 75,6 + 11,8 = 87,4 м По гребню плотины предусматривают прокладку эксплуатационной дороги с проезжей частью шириной 3 м. на закрайки отводят 1,5 м. таким образом, общая ширина гребня составит 6 м.

При проектировании плотины проводят расчет фильтрационных характеристик грунта тела плотины. В результате этих расчетов устанавливают положение депрессионной кривой в теле плотины, скорости фильтрации и фильтрационные расходы через тело плотины и ее основание.

Депрессионной кривой называется линия пересечения свободной поверхности фильтрационного потока с вертикальной плоскостью в направлении этого потока. Поперечные размеры плотины должны быть такими, чтобы линия депрессии заканчивалась в теле плотины не ближе 3−4 м от подошвы сухого откоса. В легкосуглинистом и супесчаном грунтах линия депрессии образует угол с уровнем воды 15−20^о.

Если линия депрессии выходит в пределах сухого откоса, то при значительном фильтрационном потоке будет происходить вынос мелких частиц грунта из тела плотины. Это снижает устойчивость не только сухого откоса, но и всей плотины.

7.2 Построение сечений и плана насыпной плотины

В соответствии с установленными размерами плотины вычерчивают план, продольное и поперечное сечения плотины.

Продольное сечение плотины строят в следующей последовательности.

В прямоугольной системе координат по оси плотины строят поперечное сечение балки. Отметки поверхности земли и заложения между горизонталями берут с плана (М 1:5000) в точках пересечения горизонталей со створом плотины.

Заложение — это длина проекции склона поверхности земли между двумя точками или откоса сооружения на горизонтальную ось. На плане в горизонталях все расстояния между точками, горизонталями или сооружениями представляют собой заложения.

Продольное сечение плотины строят в искаженном масштабе. В зависимости от длины плотины горизонтальный масштаб принимают 1:1000 или 1:2000, а вертикальный 1:100 или 1:200.

На поперечное сечение балки наносят линию гребня плотины, отметка которого известна.

По гребню плотины разбивают пикетаж через 100 м. На каждом пикете выписывают отметки поверхности земли.

Отметки поверхности земли на нулевом (ПК0) и последнем (ПК2+83) пикетах известны, так как они совпадают с отметкой гребня плотины. Заложение между нулевым (или последнем) пикетом и ближайшей горизонталью с меньшей отметкой l_пк, м, вычисляем по формуле:

l_пк =, (26)

где — превышение нулевого (или последнего) пикета над ближайшей горизонталью с меньшей отметкой, м. Определяют по разности отметок гребня плотины с ближайшей горизонталью с меньшей отметкой;

— заложение между горизонталями на участке, где размещается нулевой (или последний) пикет, м. Значения заложений между горизонталями берут с рисунка 5;

?h_гор — высота сечения горизонталей, м.

Отметка гребня плотины составляет 87,4 м. определим заложение между нулевым пикетом плотины и 86-й горизонталью, если высота сечения горизонталей 2 м, а заложение между 86 и 88 горизонталями составляет 20 м (рисунок 2).

Используя формулу 26, рассчитаем заложение между нулевым пикетом плотины и 86-й горизонталью:

l_пк = = 14 м.

После разбивки пикетажа заложения между пикетными точками и ближайшими горизонталями известны. Отметки поверхности земли на пикетах vПКn, м, вычисляем по зависимости:

vПКn = vГор +, (27)

где n — номер пикета;

vГор — отметка ближайшей горизонтали с меньшим значением, м;

?h_пк — превышение отметки поверхности земли на данном пикете над отметкой ближайшей горизонтали, м.

Превышение ?h_пк находят из формулы 26:

?h_пк =, (28)

Заложение между 78 и 80 горизонталями составляет 10 м (рисунок 2). При разбивке пикетажа заложение между первым пикетом (ПК1) и 78 горизонталью получилось равным 6,5 м. определим отметку поверхности земли на первом пикете.

Используя формулы 28 и 27, найдем отметку поверхности земли на первом пикете:

?h_пк1 = = 1,3 м

vПК1 = 78 + 1,3 = 79,3 м На каждом пикете вычисляем проектную высоту плотины. Для этого из отметки гребня вычитаем отметку поверхности земли на данном пикете.

Все полученные значения отметок поверхности земли, высот плотины, заложений, а также пикеты выписываем под профилем плотины.

План плотины (рисунок 3) также вычерчиваем в искаженном масштабе. Для длины плотины масштаб принимаем 1:2000, для ее ширины — 1:500. Построение плана плотины проводим в следующей последовательности.

Наносим ось плотины. От оси откладываем в обе стороны половину ширины гребня. Длину гребня плотины определяем по рисунку 2, используя разбитый по гребню пикетаж. На каждом пикете от бровки гребня плотины откладываем в сторону верхнего бьефа заложение мокрого откоса, а в сторону нижнего бьефа — заложение сухого откоса.

Заложения мокрого и сухого откосов на каждом пикете l_пк, м, вычисляем по формуле:

l_пк = m Ч H_{пр. пк}, (29)

где m — коэффициент заложения соответствующего откоса плотины (таблица 5);

H_{пр. пк} — проектная высота плотины на данном пикете, м (рисунок 2).

Мокрый откос:

l_пк0+14 = 3,0 Ч 1,4 = 4,2 м;

l_пк0+31,5 = 3,0 Ч 3,4 = 10,2 м;

l_пк0+61,5 = 3,0 Ч 5,4 = 16,2 м;

l_пк0+96,5 = 3,0 Ч 7,4 = 22,2 м;

l_пк1 = 3,0 Ч 8,1 = 24,3 м;

l_пк1+6,5 = 3,0 Ч 9,4 = 28,2 м;

l_пк1+19 = 3,0 Ч 11,4 = 34,2 м;

l_пк1+36,5 = 3,0 Ч 11,8 = 35,4 м;

l_пк1+49 = 3,0 Ч 11,4 = 34,2 м;

l_пк1+69 = 3,0 Ч 9,4 = 28,2 м;

l_пк1+89 = 3,0 Ч 7,4 = 22,2 м;

l_пк2 = 3,0 Ч 6,7 = 20,1 м;

l_пк2+21,5 = 3,0 Ч 5,4 = 16,2 м;

l_пк2+49 = 3,0 Ч 3,4 = 10,2 м;

l_пк2+69 = 3,0 Ч 1,4 = 4,2 м.

Сухой откос:

l_пк0+14 = 2,5 Ч 1,4 = 3,5 м;

l_пк0+31,5 = 2,5 Ч 3,4 = 8,5 м;

l_пк0+61,5 = 2,5 Ч 5,4 = 13,5 м;

l_пк0+96,5 = 2,5 Ч 7,4 = 18,5 м;

l_пк1 = 2,5 Ч 8,1 = 20,25 м;

l_пк1+6,5 = 2,5 Ч 9,4 = 23,5 м;

l_пк1+19 = 2,5 Ч 11,4 = 28,5 м;

l_пк1+36,5 = 2,5 Ч 11,8 = 29,5 м;

l_пк1+49 = 2,5 Ч 11,4 = 28,5 м;

l_пк1+69 = 2,5 Ч 9,4 = 23,5 м;

l_пк1+89 = 2,5 Ч 7,4 = 18,5 м;

l_пк2 = 2,5 Ч 6,7 = 16,75 м;

l_пк2+21,5 = 2,5 Ч 5,4 = 13,5 м;

l_пк2+49 = 2,5 Ч 3,4 = 8,5 м;

l_пк2+69 = 2,5 Ч 1,4 = 3,5 м.

Полученные точки соединяем прямыми линиями, оконтуривая площадь основания плотины.

Используя рассчитанные значения заложений откосов, аналогично проводим построение плотины на плане в горизонталях.

Поперечное сечение плотины (рисунок 3) вычерчиваем в месте пересечения створа плотины с тальвегом балки, то есть для наиболее глубокого места балки. Масштаб для горизонтальных и вертикальных размеров сечения принимаем одинаковым — 1:400.

На поперечном профиле проставляем все необходимые размеры и отметки, а также наносим линию депрессии.

Ширину основания плотины b_осн, м, вычисляем по формуле:

b_осн = b_гр + Н_{пр. пл} Ч (m₁ + m₂), (30)

где b_гр — ширина гребня плотины, м;

Н_{пр. пл} — проектная высота плотины в месте пересечения створа плотины с тальвегом балки, м;

m₁, m₂ — коэффициенты заложения соответственно мокрого и сухого откосов (таблица 5).

b_осн = 6 + 11,8 Ч (3,0 + 2,5) = 70,9 м На продольном и поперечном профилях плотины (рисунки 2, 4) показываем уровни воды на отметках ФПУ, НПУ и УМО.

8. Проектирование водосбросного сооружения

8.1 Основные правила размещения водосбросного сооружения на местности

В периоды паводков и половодий в пруду скапливается объем воды, который может превысить форсированный подпорный уровень и вызвать разрушение плотины. Для отвода избыточных вод из чаши пруда устраивают водосбросное сооружение. Сброс воды начинается после того, как пруд наполнится до отметки нормального подпорного уровня.

Водосброс представляет собой сопрягающее сооружение с подводящим и отводящим каналами. В качестве сопрягающего сооружения применяют быстротоки или ступенчатые перепады. Сопрягающее сооружение располагают на одном из склонов балки нижнего бьефа.

Подводящий канал к сопрягающему сооружению прокладывают в обход плотины. Входную часть канала располагают на расстоянии 40−50 м от плотины. Ось канала располагают таким образом, чтобы расстояние от бровки канала до места сопряжения гребня плотины со склоном балки составляло 15−20 м.

Для предотвращения подмыва сухого откоса плотины сопряжение отводящего канала с тальвегом балки делают в 50 м ниже плотины.

Водосбросное сооружение рассчитывают на пропуск вод балочного весеннего стока 1%-й обеспеченности.

8.2 Расчет максимального расхода балочного стока в период весеннего снеготаяния

Максимальные расходы поверхностного стока образуются в периоды весеннего снеготаяния и летних ливней.

Максимальные расходы балочного стока в период летних ливней в 3−4 раза больше максимальных расходов талых вод. Однако объем стока в ливневый период времени во много раз меньше объема стока талых вод. Поэтому объем ливневого стока будет полностью аккумулироваться в пруду.

Таким образом, расчетным является максимальный расход талых вод при весеннем снеготаянии.

Максимальный расход балочного стока в период весеннего снеготаяния Q_1%, м³/с, рассчитывают по отношению:

Q_1% =, (31)

где h_сл.ст1% — высота слоя весеннего стока 1% обеспеченности, мм;

k_нер — коэффициент, учитывающий неравенство статистических параметров слоя стока и максимальных расходов. Для степной зоны Северного Кавказа при площади водосбора менее 200 км² и 1% обеспеченности показателей стока k_нер = 1,0;

k_сниж1 — коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода воды рек, зарегулированных озерами и водохранилищами;

k_сниж2 — коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода воды в заселенных и заболоченных бассейнах. Для степной зоны Северного Кавказа коэффициенты k_сниж1 и k_сниж2 равны 1,0;

k_друж — параметр, характеризующий дружность половодья на малых реках. Параметр k_друж принимаем равным 0,025;

S_в/с — площадь водосбора балки, км²;

n — показатель степени редукции. Для степной зоны Северного Кавказа показатель степени редукции составляет 0,25.

Q_1% = = 17,5 м³/с Высоту слоя весеннего стока 1% обеспеченности определяем по формуле:

h_сл.ст1% = h_сл.ст Ч k_1%, (32)

где h_сл.ст — средняя многолетняя величина слоя весеннего стока, мм;

k_1% — модульный коэффициент 1% обеспеченности.

h_сл.ст1% = 32 Ч 3,93 = 125,76 мм Модульный коэффициент 1% обеспеченности определяем по таблице 6 в зависимости от коэффициента вариации годового стока k_вар. Коэффициент вариации годового стока показывает относительное среднее квадратичное отклонение годовых модулей стока от среднего многолетнего значения. Коэффициент вариации годового стока находим по рисунку 8 методических указаний.

Таблица 6 — Модульные коэффициенты 1% обеспеченности

8.3 Гидравлический расчет подводящего канала водосбросного сооружения

лесопитомник оросительный пруд плотина Гидравлическим расчетом устанавливают общую глубину канала, ширину канала по дну и между бровками, максимальный допустимый уклон дна канала.

Глубина наполнения подводящего канала h_нап, м, равна высоте призмы регулирования:

h_нап = vФПУ — vНПУ, (33)

где vФПУ — отметка форсированного подпорного уровня воды в пруду, м;

vНПУ — отметка нормального подпорного уровня воды в пруду, м.

h_нап = 85,7 — 85 = 0,7 м Общую глубину канала h_общ, м, принимаем в полтора раза больше его глубины наполнения:

h_общ = 1,5 h_нап (34)

h_общ = 1,5 Ч 0,7 = 1,05 м Площадь живого сечения потока щ, м², определяем по отношению:

щ =, (35)

где Q_1% — максимальный расход талых вод, м³/с (формула 31);

v_доп — максимальная допустимая скорость течения воды в канале, м/с.

щ = = 2,9 м²

Расходы талой воды низкой обеспеченности с малых водосборов могут достигать десятков кубических метров в секунду. Поэтому для предотвращения размыва русла подводящего канала его дно и откосы облицовывают бетоном или железобетоном. Для таких каналов при глубине потока 0,6−0,8 м максимальная допустимая скорость течения воды составляет 5,0−7,0 м/с.

Ширину подводящего канала по дну b, м, вычисляем по формуле:

b = - m Ч h_нап, (36)

где m — коэффициент заложения откосов канала. Для каналов в бетонной одежде m = 0,5.

b = - 0,5 Ч 0,7 = 3,75 м Ширину канала между бровками В, м, рассчитываем по уравнению:

В = b + 2m Ч h_общ (37)

В = 3,75 + 2 Ч 0,5 Ч 1,05 = 4,8 м Так как поперечный профиль подводящего канала имеет форму трапеции, то смоченный периметр ч, м, находим по зависимости:

ч = b + 2 h_нап Ч (38)

ч = 3,75 + 2 Ч 0,7 Ч = 5,3 м Гидравлический радиус потока в канале R, м, вычисляем по отношению:

R = (39)

R = = 0,5 м По формуле Н. Н. Павловского определяем скоростной коэффициент Шези С, м^0,5/с:

С =, (40)

где n — коэффициент шероховатости русла подводящего канала.

С = = 0,9 м^0,5/с Максимальный допустимый уклон дна канала i_доп, вычисляем из формулы Шези:

i_доп =, (41)

i_доп = = 88,9

Учитывая правила размещения водосбросного сооружения на местности, на плане в горизонталях размещают подводящий канал, сопрягающее сооружение и отводящий канал.

9. Выбор способа полива в орошаемом лесопитомнике

Способ полива должен соответствовать почвенным, рельефным и гидрогеологическим условиям, а также принятому режиму орошения лесопитомника. В посевном отделении питомника поливные нормы могут составлять 150−400 м³/га, в школьном отделении — 300−600 м³/га, в маточном отделении — 600−800 м³/га. Такие нормы можно выполнить при орошении дождеванием.

Дождевание — процесс формирования искусственного дождя, создаваемого посредством специальных технических средств или путем расщепления компактных водяных струй в воздухе.

Дождевание поддерживает в оптимальных пределах не только влажность почвы, но и воздуха. Тем самым создается благоприятный для растений микроклимат на орошаемой территории. Полив дождеванием механизирован и может быть полностью автоматизирован. Для орошения лесопитомников можно использовать дождевальную машину ДДА-100ВХ.