UDK 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
GRNTI 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
OKSO 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
BBK 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
TBK 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
The purpose of the work was to study the air-hydrodynamics of conditions for the deposition of the artificial and natural sediments in water bodies. The experiment was planned according to the X method. Shenka. The experimental results were processed in MathCad and Solidworks software. The conditions of sediment deposition in the air stream of water and the conditions for the formation of guided mobile dams of various configurations were studied. As a result of a series of laboratory experiments and field tests, the range of water flow rates, the parameters of the air injection unit and its location in the stream for sedimentation of sediments of a given configuration and the formation of a guided mobile dam at the bottom of the channel were determined.
air-hydrodynamics, sediment deposition, air-sediment flow, laboratory modeling
Актуальность проводимых исследований определяется выполненным анализом влияния антропогенной деятельности на гидрологию и режим осаждения наносов для рек Вьетнама. Например, для дельты реки Меконг, которая расположена полностью на территории страны строительство 30- ти плотин выше по течению, как во Вьетнаме, так и в сопредельных государствах привело к уменьшению наносообразования [1]. Усилило это влияние интенсивная добыча песчано-гравийных смесей и откачка подземных вод для целей водоснабжения, приводящая к снижению меженного стока. Снижение твердого стока наносов в устье Меконга также связано с климатическими изменениями. Рост уровня океана способствует интрузии солей из моря по системе каналов и проток. Занос морских солей отрицательно сказывается на развитии рыбоводства и орошаемого земледелия в дельте реки.
В экономическом профиле бассейна сельское хозяйство является доминирующей экономической деятельностью. Кроме того, бассейн является самым важным сельскохозяйственным регионом Вьетнама, на долю которого приходится примерно 4 миллиона гектаров орошаемых земель. Сельское хозяйство обеспечивает сырьем большую часть производственной деятельности бассейна, а также многие перерабатывающие компании за его пределами. Около 41 % населения Вьетнама - более двух миллионов человек - живет в бассейне. При анализе водохозяйственного профиля бассейна самым ценным ресурсом бассейна является сама вода [2].
Чтобы обеспечить надежную работу водозаборных сооружений оросительных систем и энергоснабжение, сток реки регулировался в течение многих лет. С тех пор, как были построены плотины, непрерывный ток реки поддерживался на всем протяжении Меконга. Плотины жизненно важны для сельскохозяйственного производства при управлении водными ресурсами в бассейне системы рек Меконга.
В нижнем течении построены оградительные дамбы, в результате эти районы больше не являются приливными и содержат только пресную воду [3]. Процесс нанособроазования в реке важен, как для оградительных целей, так и для подготовки расчистки русла от наносов вблизи водозаборных сооружений на нужды орошения, сохранения природного ландшафта поймы реки, снижения трудовых и энергетических затрат путем исключения складирования и многократной разработки многочисленных конусов выноса отложений наносов дорогостоящими механизмами, повышения экономичности работ путем оперативного использования наносов, например, для нужд строительных объектов, сооружений в русле и на пойме реки посредством транспортных средств.
Материалы и методы исследований. Лабораторные исследования выполнялись в лаборатории гидравлики института мелиорации, водного хозяйства и строительства имени А.Н. Костякова на кафедре гидравлики, гидрологии и управления водными ресурсами в лотке, снабженным воздухонагнетающей установкой. Серия экспериментов проведена в 2023 г. на стандартном лотке со следующими характеристиками: высота – 44 см, ширина – 24,5 см; к лотку присоединена воздухонагнететльная установка со следующими параметрами: расход воздуха - 25 л/с, давление нагнетания - 210 мл Бар. Распределение воздушного потока осуществлялось с помощью перфорированного воздуховода с живым сечением по газу 1.8 см2 зона перфорации состояла из трёх рядов с меж рядным расстоянием 5 мм и шагом отверстий диаметром 1.5 мм 7 мм вдоль всё зоны перекрытия. В качестве материала, имитирующего наносы с плодородным илом, использовалась кукурузная крупа со средней величиной фракции 0,7-1,2 мм, как наиболее подходящая по характеристикам плотности и мехсоставу к наносам в реках, относящихся к речной системе реки Меконг во Вьетнаме, где в диапазоне крупности наносов 0,15-1,5 мм режим осаждения частиц является переходным [4,5]. Моделирование наносов выполнялось на основе анализа гранулометрического состава и физических характеристик наносов реки Ло системы реки Меконг. Внесение наносов осуществлялось путём зонального подвода фиксированного количества наносного материала в различных по длине в точках (от трёх до 5ти в зависимости от размеров ригеля) исследуемой преграды одномоментно.
При их изучении следует учитывать особенности геоморфологии, литологии и водного режима исследуемой территории, что отражено в ряде методических и нормативно-методических документов [6,7,8]. Средний диаметр взвешенных наносов принят в размере 0,8 мм. Коэффициенты шероховатости определялись обратным расчетом по формулам Маннинга и Шези при известных расходах.
Теория движения взвешенных частиц в турбулентном потоке при малой концентрации представлена в [9, 10]. В [11], учитывается кулоновское сухое трение между твердыми частицами, движущимися в жидкости. В [12–15] исследование движения смеси жидкости и твердых частиц проводится с помощью реологического соотношения в виде комбинации сухого трения для твердой фазы и вязкого трения для жидкой. Изучалось одномерное турбулентное течение над ровным дном.
Лабораторный эксперимент заключался в фиксировании изменения скоростей потока перед гидродинамической установкой, изучении ее влияния на осаждение наносов, конфигурацию их отложений и создании условий формирования искусственных перегородок из наносов, вызванного изменениями значений факторов. При планировании эксперимента внутри диапазона допустимых изменений значения каждого фактора (от хimin до хimax, i = 1,2,3,4) выбран ряд промежуточных значений: например, 4 возможных значения расходов и 4 различных угла расположения гидродинамической установки по отношению к потоку [16], также параметры воздействия на поток, создаваемые гидродинамической (интенсивность воздушного потока, частота и расположение отверстий в патрубке установки). Было запланировано 50 опытов.
Использовался способ струйного осаждения наносов в двухфазном потоке. Сущность способа заключается в интенсификации осаждения различных фаз наносов в рабочем пространстве лотка, когда увеличивают степень турбулентности фазонесущего потока за счет подачи под углом к этому потоку воздушной завесы из струй, истекающих из сопл при разных скоростях. Определены основные параметры воздушной завесы, и в частности: угол атаки струй воды к поверхности осаждения, число сопл, относительное расстояние между соплами, величина шага отверстий, соотношение массовых расходов завесы и основного потока (Рис.1).
Рис.1 - Схема установки воздушной завесы в эксперименте
Эксперимент заключается в фиксировании объема осевших наносов, параметров оседания и длины пути их трансфера, конфигурации оседания наносов с целью формирования перегородок в русле, вызванного влиянием параметров аэрогидродинамической установки и ее расположением в лотке. Плотность наносов составила 720 г/л (кг/м3), объемная масса наносов– 1, 4 л/кг(м3/т). Защита воздухонагнетательной установки от занесения наносами выполняется с помощью защитно-фильтрующего материалы типа Фислон.
Процессы осаждения естественных наносов изучались на рыборазводных прудах в 2023 г. На рабочий орган земснаряда навешивалась система струйного осаждения наносов в воздушном потоке (воздух подавался с платформы земснаряда воздухонагнетателем. Исследование формирования гряд из отложений наносов на дне пруда выполнялось типовыми гидрологическими методами с лодок, а также с помощью видеокамеры с оптико-волоконными зондами. Методики выполнения съемки рельефа дна разные. Традиционная гидрографическая съемка осуществляется таким же способом, как и топографическая горизонтальная съемка: прибор устанавливается на суше, а геодезист с отражателем на плавательном судне (лодка, катер) ставит специальную веху (мерный щуп) на дно водоема. При глубине водоема до 7 метров это выполняется без помощи водолазов. В случае, когда глубина водоема более 7 метров низ вехи удерживает водолаз, находясь на глубине водоема, а длина используемой телескопической вешки составляет до 12 м.
Когда водоем широкий и расстояние от лодки до прибора большое используют спутниковые методики выполнения работ. Как правило, данная методика выполняется при небольших глубинах, когда оператору легко удержать вешку в воде, на которой установлена спутниковая геодезическая антенна. При глубинах свыше 12 метров необходимо использовать профессиональный гидрографический эхолот и картплотер [17,18]. Это самый современный способ определения глубин. Современные профессиональные эхолоты предназначены для выполнения промерных и гидрографических работ на внутренних водоемах, в прибрежных и морских акваториях на глубинах от 0.5 до 1000 м. Чтобы данные были максимально достоверными их необходимо фиксировать с самого водоема, для этого специалисты на плавательном судне снимают показания с прибора. Гидрографический эхолот предусматривает использование первого одночастотного излучателя и второго двухчастотного излучателя, подключаемых к эхолоту раздельно. Средства обработки отраженных зондирующих импульсов учитывают физические свойства водной среды, обеспечивают разбиение диапазона сканирования на интервалы времени и/или дальности, в которых последовательно выделяют наибольшую интенсивность отражения, и формируют изображение профиля дна и осциллограммы отраженного сигнала.
Обработка результатов гидрографических изысканий выполняется с помощью геодезического программного обеспечения или специализированных гидрографических продуктов, а также зачастую высчитываются вручную (домеры до дна водоемов).
На нашей практике есть также «зимний» способ съемки дна водоема. Когда при замерзании водоемов более чем на 10 см во льду с помощью коловорота делаются лунки, они координируются в плане, и с них же можно непосредственно выполнить промеры глубин.
Еще одним способом исследования дна водоема является использование специальных геолокационных приложений. Такие приложения позволяют собрать координаты точек на дне водоема и создать цифровую модель рельефа водоема. Для этого пользователю достаточно пройти по дну водоема, учитывая изменение глубины и подключаясь к приложению через бортовую сеть GPS смартфона. Полученная модель рельефа может использоваться в дальнейшем для анализа дна или генерации карт [17,18].
Рис.2 Работа земснаряда с установленной воздухонагнетательной эжекционной установкой при апробации осаждения наносов в направляемом двухфазном потоке и оборудование для полевых исследований наносообразований в пруде
Все вычисления произведены в комплексе MathCard 15 и Solidworks . При статистической обработке использовались две выборки полученных результатов по планированию осаждения наносов в движущемся потоке воды с помощью направляемого потока воздуха.
Результаты и их обсуждение. В лабораторном опыте для каждого эксперимента определялась скорость воды перед аэрогидродинамической установкой, деленная на площадь поперечного сечения, изучались геометрические характеристики области осаждения наносов по зонам аэрогидродинамического влияния на них (Рис.3).
Были построены графики зависимости скорости от величины полного осаждения при разных расходах и разных углах расположения аэрогидродинамической установки к оси лотка. (рис.4).
Рис . 4 Анализ эффективности осаждения частиц в зависимости от ориентации зон воздушной завесы (данные осреднённые по коэффициенту улавливания). ×- угол установки 15 градусов; о- угол установки 45 градусов; □- угол установки 30 градусов
Результаты моделирования полей скоростей в канале, выполненные в программном продукте Solidworks приведена на рисунке 5.
Моделирование показало, что наиболее благоприятный диапазон скоростей потока при заданных параметрах воздухонагрнетательной установки составляет от 1,7 до 4,5 л/с, при этом заданную конфигурацию гребней наносных отложений получали при скорости 2,8 и 3,8 л/с, что соотносится с природными скоростями в рассматриваемой речной системе, где в отлив средняя скорость у обоих берегов реки Ло всего около 0,02 м/с, а в забаражированных системах прудов и озер, скорости воды в отлив составляют 2-7 л/c.
При апробации результатов лабораторных опытов на прудах выполнялись отборы проб из сформированных гребней отложений наносов на дне с помощью землесосного оборудования (рис.6). Наносы отфильтровывались с помощью защитно-фильтрующих материалов, проводились анализы гранулометрического состава [19-22].
Рис. 6 - Отбор проб наносов с помощью защитно-фильтрующего материала для лабораторных исследований гранулометрического состава
Выводы
В ходе проведения физического и численного экспериментов выявлены зоны наибольшей концентрации наносов в каналах с наклонным расположением наносоосаждающих (наносо отклоняющих) завес. Наибольшую эффективность осаждения удалось получить при угле ориентации установки завесы в 30 градусов по отношению к оси потока в диапазонах скоростей потока до 0.12 м/с. Результаты численного моделирования позволили уточнить поле вертикальных составляющих скоростей в потоке с использованными воздушными преградами в рассматриваемом диапазоне скоростей.
В результате выполненных модельных лабораторных гидравлических исследований определены область и направление решения гидравлических задач, связанных с управлением осаждением насосов, обеспечивающих возможность формирования гибких, подвижных дамб перегородок для накопления наносов в заданных частях русла реки в целях решения названных выше проблем транспорта наносов с плодородным илом во Вьетнаме.
1. H.T. Chan. Ecological-hydrological issues of the Mekong River Delta. Scientific-practical journal. Water management of Russia. Issue 1, Yekaterinburg, 2019, pp. 24-39.
2. Mosyakov V.D. Some aspects of the current situation in Southeast Asia and Russia. URL: https://www.ivran.ru/articles?&page=17 (accessed: 4.02.2024).
3. Thai Thi Kim Thi. Improvement of mobile water-filled dams for flood protection in the conditions of the Mekong River Delta (Vietnam) Specialty 05.23.07 - Hydraulic engineering dissertation abstract for the degree of Candidate of Technical Sciences, Moscow, 2014, 16 p.
4. Khetsuriani E.D. Scientific-technological arrangement of water intake structures of irrigation systems in the south of Russia: Author's abstract. thesis for the degree of Doctor of Technical Sciences. Saratov, 2022.
5. Nguyen K.Z., Glazunova I.V. Issues in the study of sediment transit with fertile silt for river basins // Innovations in natural resource management and protection in emergencies: Materials of the IX International Scientific-Practical Conference, Saratov, April 27-28, 2022. Saratov: LLC "Amirit", 2022. P. 57-61. EDN KBRDYP.
6. GOST 17.1.5.01-80. Nature conservation. Hydrosphere. General requirements for sampling bottom sediments of water bodies for analysis of pollution. URL: https://internet-law.ru/gosts/gost/7884.
7. SP 11-104-97 COLLECTION OF RULES ENGINEERING AND GEODETIC SURVEYS FOR CONSTRUCTION Part III. Engineering hydrographic work during engineering surveys for construction
8. SP 11-114-2004 UDC STATE COMMITTEE OF THE RUSSIAN FEDERATION FOR CONSTRUCTION AND HOUSING AND COMMUNAL SERVICES (GOSSTROY OF RUSSIA) System of regulatory documents in construction CODE OF RULES FOR ENGINEERING SURVEYS FOR CONSTRUCTION ENGINEERING SURVEYS ON THE CONTINENTAL SHELF FOR THE CONSTRUCTION OF MARINE OIL AND GAS FACILITIES Date
9. Bagnold R.A. The flow of cohesionless grains in fluids // Philos. Trans. Roy. Soc. London. Ser. A. 1956. V. 249. P. 235–297.
10. Kobayashi N. Fluid and sediment interaction over a plan bed // J. Hydraul. Engng. 1985. V. 111, N 6.
11. Wilson K.C. Analysis of bed-load motion at high shear stress // J. Hydraul. Engng. 1987. V. 113, N 1. P. 97–103.
12. Nnadi F. N., Wilson K. C. Motion of contact-load at high shear stress // J. Hydraul. Engng. 1992. V. 118, N 12. P. 1670–1684.
13. Petrov A. G., Petrov P. G. Transfer of suspended particles by turbulent flow over erodible bottom // PMTF. 1992. N- 4. P. 61–69.
14. Kolmogorov A. N. On a new variant of the gravitational theory of motion of suspended particles of M. A. Velikanov // Vestn. MSU. Ser. Phys.-Math. and Natural Sciences. 1954. N- 3. P. 41–45.
15. Barenblatt G. I. On the motion of suspended particles in a turbulent flow occupying half-space or a flat open channel of finite depth // Applied Mathematics and Mechanics. 1955. V. 19, N-◦ 1. P. 61–88.
16. Shenk H. Theory of Engineering Experiment. Moscow: Mir, 1972.
17. https://v86.mostop.ru/how-to-find-out-the-relief-of-the-bottom-of-the-reservoir-using-a-smartphone(accessed on 2.03.2024)
18. Naigert K.V., Rednikov S.N. Technologies for controlling flow performance by changing the rheological properties of working fluids // Bulletin of the South Ural State University. Series "Mechanical Engineering". 2016. V. 16,
19. Kireicheva L.V., Glazunova I.V. World experience in efficient use of water resources in agriculture // Water purification. Water treatment. Water supply. 2010. No. 6 (30). P. 72-77.
20. Kireicheva L.V., Glazunova I.V. Natural sorbents for detoxification of contaminated soils // Fertility. 2008. No. 6(45). P. 44-46. – EDN KUCNMH.
21. Water management system with territorial-temporal regulation of runoff / L. D. Ratkovich, I. V. Glazunova, S. A. Sokolova, V. N. Markin. – Moscow: Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, 2020. – 70 p. – ISBN 978-5-9675-1753-2. – EDN LKHNAY.
22. Environmental safety of agriculture and agricultural products - real steps / M. V. Barsukova, I. V. Glazunova, T. S. Korol, N. V. Lagutina // Modern Science: Current Issues of Theory and Practice. Series: Natural and Technical Sciences. – 2020. – No. 8. – P. 7-10. – DOIhttps://doi.org/10.37882/2223-2966.2020.08.02. – EDN PPPVNJ.
