УДК 626.826 Потери воды
ГРНТИ 70.81 Испытания, измерения, контроль в водном хозяйстве
ОКСО 35.06.01 Сельское хозяйство
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
ТБК 564 Водное хозяйство
BISAC TEC003050 Agriculture / Irrigation
Цель работы: оценка технического состояния и определение гидравлических характеристик каналов различного порядка водопроводящей сети Сарпинской и Черноземельской обводнительно-оросительных систем с учетом их современного состояния. По результатам натурных исследований установлено, что основные магистральные и распределительные каналы находятся в неудовлетворительном техническом состоянии. Наблюдаются заиление, зарастание кустарниковой и древесной растительностью, а также значительные фильтрационные потери и деформации русел, в результате чего, объемы воды в отдельные периоды поливного сезона не соответствуют паспортным значениям. Определено среднее расчетное значение коэффициента шероховатости для магистрального канала Р‑1, которое превышает допустимое нормативное значение в 1,66 раза с отклонением, составляющим порядка 65,8%. При этом расчетные значения коэффициента шероховатости канала Р‑1 на участке от ПК603+00 до ПК1145+76 колеблется в пределах 0,0270…0,0599 и увеличиваются при уменьшении расхода пропускаемого по каналу. Также выявлено, что по каналу ВР‑1 среднее расчетное значение коэффициента шероховатости превышает нормативное значение в 2,09 раза. Такое значительное превышение вызвано не только зарастанием русла канала вдоль берегов и отложением наносов, но и особенностью формы поперечного сечения, которое на участке с ПК245+70 по ПК847+24 канала ВР‑1 имеет значительную ширину по дну (17…20 м)
техническое состояние, гидравлический расчет, канал, гидротехническое сооружение, реконструкция, оросительная система, обследование, фильтрация
Республика Калмыкия относится к самым вододефицитным регионам Российской Федерации, т. к. не имеет в достаточной мере необходимого количества собственных источников водных ресурсов и обеспечивается из бассейнов сопредельно расположенных рек: Волги, Кубани, Кумы, Терека, а также Чограйского водохранилища. Ввиду ограниченности в водных ресурсах, сокращение их потерь, восстановление изношенной оросительной сети, предотвращение деградации земель являются приоритетными задачами в рассматриваемом регионе для сохранения и развития сельскохозяйственного производства [1]. Существенное снижение площадей посевов риса в период 2019–2022 гг. орошаемых в Республике Калмыкия, подтверждают необходимость производства данной культуры за счет организации рационального и эффективного водопользования рассматриваемых обводнительно-оросительных систем. Ввиду этого комплексная оценка эффективности действующих оросительных систем, и в т. ч. определение пропускной способности водопроводящей сети, объемов фильтрационных потерь и КПД каналов является важной задачей на пути к организации водосберегающего орошения в Республике Калмыкия [2].
Сотрудниками «РосНИИПМ» в период с 2022 и 2023 г. выполнен ряд исследований мелиоративных систем Республики Калмыкия, в частности Сарпинской и Черноземельской ООС. Цель работ – определение текущего технического состояния оросительных каналов вышеупомянутых обводнительно-оросительных систем, а также определение гидравлических характеристик водопроводящих сетей [3].
Материалы и методы исследования. Получены данные от эксплуатирующей мелиоративный объект организации, выполнены натурные обследования гидротехнических сооружений и элементов на выбранных участках [4]. При проведении натурных исследований был выбран наиболее проблемный участок трассы магистрального канала ВР‑1 Сарпинской ООС, который находится на границе Республики Калмыкия и Волгоградской области. Участок имеет протяженность 8489 м, где наблюдался размыв и разрушение дамбы канала. Ширина выхода оросительной воды за пределы дамбы канала составляет порядка 70 м. В экологическом аспекте с началом поливного сезона приканальная зона заболачивается и интенсивно зарастает мелколесьем и камышовой растительностью по всей ширине рассматриваемой зоны [5]. Ввиду зафиксированных деформаций отсутствует возможность подъезда к данному участку. Эксплуатационные дороги размыты и затоплены. Скорости движения водного потока на данном участке не соответствуют проектным. Имеются деформации русла от трапецеидального сечения канала в сторону к полигональному. Происходят процессы заиления дна канала по причине снижения скорости транспортирования водных ресурсов. Выполненные исследования на участке канала ВР‑1 позволяют сделать вывод, что он находится в ограниченно-работоспособном состоянии, требуется восстановление проектной пропускной способности, устройство противофильтрационных покрытий для снижения потерь и предотвращения аварийных ситуаций. Наряду с этим был выбран участок на ПК 332+00 магистрального канала ВР‑1 (в районе сельского муниципального образования (СМО) Хонч-Нур). На момент проведения обследований русло канала ВР‑1 не подвержено интенсивному зарастанию; на поворотном участке трассы канала наблюдается интенсивная фильтрация воды из канала с образованием участков подтопления приканальной территории площадью на момент проведения обследований (май 2022 г.) – 1201,07 м² и 866,53 м².
По результатам выполненных натурных обследований на поворотном участке оросительного канала можно сделать вывод, что рекомендуется проведение противофильтрационных мероприятий в целях предотвращения развития фильтрационных деформаций грунтовых дамб и гидротехнических сооружений [5]. Наряду с обследуемыми объектами Сарпинской ООС также рассмотрены и обследованы оросительные каналы Черноземелькой ООС. Так, например, одним из объектов выбран водовыдел на Яшкульском РК, его проектная пропускная способность составляла 3 м3 /с. На момент проведения обследований (Республика Калмыкия, Яшкульский район, 2023 г.) текущее техническое состояние сооружений водовыдела приведено на рис. 1.
Рис. 1. Входной оголовок (а) и нижний бьеф сооружения (б) водовыдела с переездом в Яшкульский РК
Рис. 2. Нижний бьеф (а) и русло канала (б) одноочкового водовыдела канала УС‑4
Выполнено обследование водовыдела четырехочкового с переездом на ПК1400 Черноземельского магистрального канала. Перед сооружением зафиксировано засорение и заиление приемной камеры значительным количеством плавающего сора и ила, что ухудшает пропускную способность сооружения. Металлические затворные элементы отсутствуют (сняты службой эксплуатации в целях облегчения очистки верхнего бьефа от периодически скапливающегося мусора). Из четырех ниток трубопроводов водовыдела на момент обследования функционировали три, т. е. сооружение не работает в проектном режиме, что значительно сказывается на пропускной способности.
В нижнем бьефе установлена бетонная облицовка, которая служит для закрепления откосов, как показали натурные обследования, она деформирована, на ее поверхности имеются крупные сколы, выбоины и повреждения. Русло на головном участке канала подвержено интенсивному зарастанию растительностью, что негативно влияет на пропускную способность самого распределителя.
Водовыдел одноочковый с переездом на ПК72+30 канала УС‑4 (сброс в оз. Бузга) находится в нормативном состоянии. В рамках выполнения противопаводковых мероприятий, запланированных в 2022 г. сооружение отремонтировано, его техническое состояние на момент обследования характеризуется как работоспособное (рис. 2). На подходном и отводном участках к сооружению зафиксировано зарастание русла, деформации откосов земляного русла сбросного канала. По результатам натурных обследований Сарпинской и Черноземельской обводнительно-оросительных систем следует сделать вывод, что основные магистральные и распределительные каналы находятся в неудовлетворительном техническом состоянии, заилены и заросли кустарниковой и древесной растительностью, наблюдаются значительные фильтрационные потери и деформации русел, в результате чего, объемы водных ресурсов в отдельные периоды поливного сезона не достигают и не соответствуют паспортным значениям, что сказывается на пропускной способности и кпд сооружения.
Результаты исследования и их обсуждение. На основании вышеописанных фактов, актуальным становится вопрос определения гидравлических характеристик рассматриваемых систем. Для этого проведены гидравлические расчеты [6, 7] для участков магистральных, межхозяйственных и сбросных каналов (Р‑1 и ВР‑1, «Обводной» «Водоподающий», ВР‑1-3, ВР‑1-4, 18ХС‑3) Сарпинской ООС.
В целях определения коэффициента шероховатости n при максимальном Qmax и нормальном Qн расходах воды в канале Р‑1, ширине канала по основанию b, гидравлическом уклоне на участке i 0, коэффициенте заложения откосов канала m, глубине наполнения h, определены гидравлические характеристики: площадь поперечного сечения ω, м2 ; смоченный периметр χ, м; гидравлический радиус R. Ввиду того, что полученное расчетное значение гидравлического радиуса находится в пределах R=1…3 м, показатель степени y принимается приближенно равным 0,2, следовательно:
● при Qmax, м3 /с:
● при Qн, м3 /с: n R Ri Q , .
Аналогичные расчеты значений коэффициента шероховатости были выполнены для остальных участков канала Р‑1 и для ряда других каналов Сарпинской ООС, в том числе и для магистрального канала ВР‑1 для значений максимальных и нормальных расходов воды в начале каждого участка канала [7]. Полученные расчетные значения представлены в табл. 1. Согласно рекомендациям СП 100.13330.2016 [8] использовались нормативные значения коэффициента шероховатости оросительных каналов в земляном русле [8], составляющий n=0,0225 (см табл. 1).
|
Расчетный створ |
Расчетные значения |
Нормативное значение nн [8] |
|
Отклонение , % |
||||
|
ω, м2 |
χ, м |
R |
nрасч |
nср. взв. |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Магистральный и межхозяйственный канал Р-1 |
||||||||
|
ПК603+00– ПК1145+76 |
39 |
22,97 |
1,7 |
0,0270 |
0,0373 |
0,0225 |
1,66 |
65,8 |
|
0,0319 |
||||||||
|
ПК1145+76–ПК1177 |
0,0304 |
|||||||
|
Магистральный и межхозяйственный канал ВР-1 |
||||||||
|
ПК245+70–ПК332+00 |
116 |
42,3 |
2,7 |
0,0655 |
0,0471 |
0,0225 |
2,09 |
109,3 |
|
ПК332+00–ПК397+53 |
68,75 |
35,81 |
1,92 |
0,0303 |
||||
|
ПК397+53– ПК668+62 |
116 |
42,30 |
2,74 |
0,0735 |
||||
|
ПК668+62– ПК847+24 |
0,0564 |
|||||||
|
Магистральный и межхозяйственный канал ВР-1-3 |
||||||||
|
ПК0–ПК87+30 |
26,25 |
18,81 |
1,4 |
0,0363 |
0,0363 |
0,0225 |
1,61 |
61,3 |
|
ПК87+30–ПК116 |
||||||||
|
Межхозяйственный канал ВР-1-4 |
||||||||
|
ПК0–ПК161 |
28,75 |
19,81 |
1,45 |
0,0246 |
– |
0,0225 |
1,1 |
9,3 |
Таблица 1 Гидравлические параметры каналов Сарпинской ООС
Для сбросного канала 18ХС‑3 нормативное значение коэффициента n определено за счет повышения на 10% величины коэффициента шероховатости для оросительных каналов с округлением до ближайшего принятого в таблице М.1 значения [8]. Таким образом, среднее расчетное значение коэффициента шероховатости для магистрального канала Р‑1 превышает допустимое нормативное значение в 1,66 раза с отклонением, которое составляет порядка 65,8%. При этом расчетные значения коэффициента шероховатости на рассматриваемом участке от ПК603+00 до ПК1145+76 канала Р‑1 колеблется в пределах 0,0270…0,0599 и увеличиваются при уменьшении расхода пропускаемого по каналу.
Таблица 2 Гидравлический расчет расхода и средней скорости
|
Параметр |
Значение параметра при разных уровнях |
|||||
|
Элемент потока |
Земляное русло |
|||||
|
Уклон i0 |
0,09 |
|||||
|
Заложение откосов m |
1:1,5 |
|||||
|
Расход Q, м3/с |
1,89 |
4,2 |
5,3 |
8,0 |
11,0 |
15,0 |
|
Глубина h, м |
0,74 |
1,5 |
1,75 |
2,4 |
2,8 |
3,0 |
|
Ширина B, м |
8,22 |
10,5 |
11,25 |
13,2 |
14,4 |
15,0 |
|
Ширина по дну b, м |
6,0 |
|||||
|
Средняя скорость vср, м/с |
0,23 |
0,33 |
0,36 |
0,44 |
0,46 |
0,48 |
|
Средняя глубина hcp, м |
0,64 |
1,18 |
1,34 |
1,75 |
1,98 |
2,1 |
|
Гидравлический радиус R, м |
0,61 |
1,09 |
1,23 |
1,57 |
1,78 |
1,87 |
|
Коэффициент Шези C, м0,5/с |
30,66 |
33,82 |
34,51 |
36,60 |
36,70 |
37,01 |
|
Коэффициент шероховатости n |
0,030 |
|||||
|
Смоченный периметр χ, м |
8,67 |
11,4 |
12,3 |
14,64 |
16,08 |
16,82 |
|
Площадь поперечного сечения ω, м2 |
5,26 |
12,38 |
15,09 |
23,04 |
28,56 |
31,5 |
По полученным расчетным данным канала ВР‑1 среднее расчетное значение коэффициента шероховатости превышает нормативное значение в 2,09 раза. Такое значительное превышение вызвано не только зарастанием русла канала вдоль берегов и отложением наносов, но и особенностью формы поперечного сечения, которое на рассматриваемом участке ПК245+70 по ПК847+24 канала ВР‑1 имеет значительную ширину по дну, которая составляет до 17…20 м. Необходимо также отметить, что при пропуске по каналу (на головном участке) сниженных расходов, значение коэффициента шероховатости возрастает до значения 0,0655 и обуславливается зарастанием откосов канала мелколесьем и водной растительностью, что зафиксировано в процессе натурных обследований. Для контрольно - го створа на канале ВР‑1 на основании данных измерений глубин (на скоростных вертикалях), построен поперечный профиль канала (рис. 3), который свидетельствует о заилении его русла наносами вдоль одного из откосов. Таким образом, можно сделать вывод о том, что влияние наносов в контрольном створе данного канала на значение коэффициента шероховатости минимально, основной причиной повышенного среднего значения коэффициента шероховатости в данном створе (nср = 0,0445) является зарастаемость откосов в вегетационный период [8].
Рис. 3. Поперечный профиль магистрального канала ВР‑1 в контрольном створе (участок 1): 1 – фактическое русло; 2 – проектное русло
Гидравлические расчеты [9–13] основных элементов живого сечения Гашунского и Яшкульского каналов Черноземельской ООС выполнялись с использованием данных паспортов (2023 г.) и результатов натурных обследований рассматриваемых каналов с учетом СП 100.13330.2016. Полученные результаты расчетов приведены в табл. 2.
Для контрольного створа Гашунского канала установлено, что заиление русла канала в расчетном створе будет происходить при расходе водного потока Q<2,75 м3 /с и наполнении канала h<1 м, т. к. при данных значениях средняя скорость водного потока будет меньше минимальной допускаемой (незаиляющей) скорости равной 0,27 м/с. При оценке русла Гашунского канала на подверженность размыву, определено, что канал на участке контрольного створа не может пропускать заданные расходы не подвергаясь размыву. Проверка русла Яшкульского канала в контрольном створе на заиление и размыв показала, что его русло будет подвергаться размыву и заилению в рассмотренном диапазоне скоростей составляющие от 0,62…1,14 м/с.
Заключение 1. При проведении визуальных натурных обследований отмечена необходимость проведения текущих ремонтов и реконструкции всех основных каналов систем, а также сооружений на водораспределительной и сбросной сети. Необходимо осуществить ряд мероприятий, направленных на сокращение объемов потерь воды за счет устройства защитных облицовок. В целях сокращения непроизводительных потерь в рассматриваемых ООС, узлы водораспределения и точки водовыделов в хозяйства необходимо оборудовать водомерными устройствами, позволяющими замерять расходы (объемы) подаваемой потребителям.
2. Среднее расчетное значение коэффициента шероховатости для магистрального канала Р‑1 превышает допустимое нормативное значение в 1,66 раза, при этом, расчетные значения изменяются в пределах 0,0270…0,0599 и увеличиваются при уменьшении расхода пропускаемого по каналу. Среднее расчетное значение коэффициента шероховатости канала ВР‑1 превышает нормативное значение, что вызвано зарастанием русла канала вдоль берегов, отложением наносов, а также особенностью формы поперечного сечения.
3. В результате гидравлических расчетов Гашунского канала было установлено, что заиление русла канала в расчетном створе будет происходить при расходе водного потока Q<2,75 м3 /с и наполнении канала h < 1 м. При оценке русла Гашунского канала на подверженность размыву было определено, что канал на участке контрольного створа не может пропускать заданные расходы, не подвергаясь размыву. Проверка русла Яшкульского канала в контрольном створе на заиление и размыв показала, что его русло будет подвергаться размыву и заилению в рассмотренном диапазоне скоростей водного потока.
1. Сангаджиев М. М., Онкаев В. А. Вода Калмыкии – экология и современное состояние // Вестник Калмыцкого университета. 2012. № 3(15). С. 18–25.
2. Дедова Э. Б., Шабанов Р. М., Дедов А. А. Пути повышения эффективности функционирования рисовой оросительной системы на территории Сарпинской низменности // Colloquium-journal. 2019. № 5(29). С. 41–43.
3. Государственная программа эффективного вовлечения в оборот земель сельскохозяйственного назначения и развития мелиоративного комплекса Российской Федерации [Электронный ресурс]: утв. Постановлением Правительства Рос. Федерации от 14 мая 2020 г. № 731. Доступ из справ. правовой системы «Консультант-Плюс».
4. Бородычев В. В., Дедова Э. Б., Сухарев Ю. И. Ресурсно-экологическая оценка рисовых агроландшафтов Сарпинской низменности // Природообустройство. 2016. № 2. С. 55–61.
5. Алтунин В. С. Мелиоративные каналы в земляных руслах. М.: Колос, 1979. 255 с.
6. Косиченко Ю. М. Гидравлические и экологические аспекты эксплуатации каналов. Новочеркасск: НГМА, 2000. 230 с.
7. Штеренлихт Д. В. Гидравлика. М.: Колос С, 2007. 655 с.
8. Мелиоративные системы и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.06.03-85 (с изм. № 1): СП 100.13330.2016: введ. в действие с 17.06.17. М.: Стандартинформ, 2017. 231 с.
9. Косиченко Ю. М., Бакланова Д. В. Расчет фильтрации через дамбу канала в насыпи и оценка риска аварийных ситуаций // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2012. № 4(168). С. 77–81.
10. Михневич Э. И. Новые способы гидравлического расчета каналов // Мелиорация. 2016. № 3. С. 7–12.
11. Косиченко Ю. М. Оценка достоверности расчетов удельного фильтрационного расхода через насыпную дамбу необлицованного канала // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. 2022. № 2(86). С. 135–142.
12. Бакланова Д. В. Расчет фильтрации через земляные дамбы на проницаемом основании // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2016. № 1(21). С. 196–208.
13. Косиченко Ю. М., Баев О. А. Особенности гидравлических и фильтрационных расчетов осушительно-оросительной системы // Природообустройство. 2021. № 4. С. 90–98. DOI:https://doi.org/10.26897/1997-6011-2021-4-90-98
