Гидрологический расчет пруда

Как указывалось, пруды и водоемы задерживают и регулируют местный сток, т. е. сток периодически действующих (временных) водотоков. Эти водотоки чаще всего представлены сухими балками, оврагами и лощинами, верховьями рек. Весь годовой сток или подавляющая его часть образуется в результате снеготаяния и проходит за короткий период весеннего половодья. Доля дождевого стока относительно невелика и трудно поддается учету, а в засушливые периоды ничтожна или совершенно отсутствует. Некоторые балки имеют грунтовое питание в течение всего года, образующее так называемый живой ток. Но эту очень незначительную часть годового стока весьма трудно учесть, тем более предвидеть изменения в грунтовом питании после постройки пруда и вызванного этим подпора грунтового потока.

Таким образом, нормой стока для прудов и водоемов можно считать средний сток весеннего половодья. Для определения нормы стока пользуются картами изолиний, на которых показан средний слой весеннего стока в миллиметрах и значения СV весеннего стока).

Коэффициент асимметрии примем равным удвоенному коэффициенту вариации, т. е. CS= 2CV.

Процент обеспеченности определяет то количество лет (из 100), в течение которых гарантируется удовлетворение заданной потребности в воде.

Например, обеспеченность 80% означает, что заданная потребность удовлетворяется в среднем 80 лет из 100 или 8 лет из 10. В течение 20 лет из 100 или в среднем 1 раз в 5 лет возможно неудовлетворение заданной потребности в воде.

Обеспеченность 90% означает, что перебои в подаче потребного количества воды можно ожидать в среднем один раз в 10 лет и т. д. Обычно принимается следующая расчетная обеспеченность, %:

при сельскохозяйственном водоснабжении — 90% и более;

при орошении — 75−80%.

Иногда водоем используют для орошения и водоснабжения одновременно. При этом обеспеченность учитывается как для оросительного водоема, но при эксплуатации принимаются меры к обеспечению прежде всего водоснабжения.

Объем стока любой обеспеченности, в том числе и 80%, определяется по формуле:

W80%=бУ80%А•1000=0,73 •13•28•1000=265 720 м3 ,(1.9).

где W80%- объем стока, м3, бкоэффициент, учитывающий уменьшение величины стока в результате агромелиоративных мероприятий в разных природных зонах Поволжья, У80%- сток 80%-й обеспеченности, мм, определяемый по карте изолиний весеннего стока 80%-й обеспеченности для Советского района, А — водосборная площадь км2.

Регулирование поверхностного стока в искусственных водоемах бывает годичным или многолетним.

Годичное регулирование применяется в тех случаях, когда сток расчетного года по обеспеченности достаточен для удовлетворения заданной потребности в воде с учетом потерь. Если сток расчетного года не покрывает потребности в воде, переходят на многолетнее регулирование. Та часть объема водоема, которая расходуется на покрытие недостатков стока в многолетнем разрезе, называется емкостью многолетнего регулирования (VMH). Объем, забираемый ежегодно из пруда на полезное потребление (водоснабжение, орошение и др.), называется полезной отдачей (U0).

Сумма объемов полезной отдачи и годовых потерь на испарение (EДоп), фильтрацию (Ф) и ледообразование (Vл) называется объемом годового потребления (UT). При годичном регулировании потери на ледообразование учитываются в водоемах, используемых для круглогодового водоснабжения, и не учитываются в водоемах сезонного (летнего) действия (сезонное водоснабжение, орошение). При многолетнем регулировании ежегодных потерь на ледообразование не происходит: лед весной тает, и вода, из которой он образовался, сохраняется в водоеме. Емкость пруда складывается из объема воды, необходимого для орошения и водоснабжения Vплз, т. е. полезного объема Vплз = Wop + Wвод=77 500+25 000=102 500 м3, мертвого объема VM0, объема потерь на фильтрацию и испарение hnот Для подсчета объема воды на орошение надо среднюю оросительную норму брутто умножить на площадь орошения fор, т. е.

Woр =. fор=3100•25=77 500 м3 (1.10).

Объем воды на водоснабжение рассчитывается в зависимости от участников водохозяйственного комплекса и прибавляется к Wop.

Возможную площадь орошения на местном стоке для отдельных водосборов можно определить по следующей формуле:

(1.11).

Где fор — возможная площадь орошения местного стока определенного водосбора, га; А — водосборная площадь бассейна (водосбора), км2; hp — расчетный слой стока заданной обеспеченности; б — коэффициент полезной водоотдачи проектируемых прудов в рассматриваемом бассейне; n — КПД оросительных систем, для закрытых систем n = 0,9−0,95; открытых систем.

n = 0,6−0,7; Мср — средняя оросительная норма орошаемого севооборота на среднесухой год, м3/га.

Эрозионная деятельность поверхностного стока, задерживаемого прудами, нередко приводит к отложению в них значительного количества наносов, иначе говоря, к их заилению.

При значительном количестве поступающих в пруд наносов он может в короткий период заилиться настолько, что перестанет обеспечивать необходимый объем водоподачи. Возможен также полный выход из строя пруда в результате заиления. Поэтому при расчете пруда и, прежде всего при определении его мертвого объема, учитывают вероятное поступление наносов. Следует отметить, что существующие данные о твердом стоке с малых водосборов сильно расходятся между собой. Наиболее надежным способом установления объема отложившихся наносов следует считать способ аналогии с данными соседних прудов. Для использования водоема по назначению в течение достаточно длительного срока необходимо предохранить его полезный объем от занесения наносами. Все попадающие в пруд наносы должны откладываться на дне мертвого объема. Поэтому мертвый объем следует проверять на заиление. Срок заиления мертвого объема принимают не менее 50 лет.

Для ориентировочного определения годового стока наносов пользуются формулой:

Wт==0,177 тыс. м3 (1.12).

где с0 — норма годовой мутности, г/м3; W0 — годовой сток наносов, м3; m — 10% донных наносов от взвешенных; д — транзитная часть наносов, сбрасываемых через водосбросный канал в дно балки, т. е. в нижний бьеф водохранилища, д= 0,3 ;

готл — масса наносов, т/м3.

Зная твердый сток за год, устанавливают срок заиления пруда (Т) по выражению:

Т =Vм.о./ WT=114/0,1773=643 года (1.13).

где Vм. о — мертвый объем водохранилища.

Мертвый объем представляет собой неиспользуемый объем воды пруда. Мертвый объем и горизонт мертвого объема определяются в зависимости от условий и требований.

Командование (пруд, водоем) предназначается для самотечного орошения некоторой площади. В этих случаях горизонт мертвого объема определяется наиболее высокой отметкой орошаемого участка, с учетом уклона самотечного канала.

Работа насосов стационарной насосной установки, располагаемой на берегу. Горизонт мертвого объема следует назначать с учетом высотного размещения насосов и допустимой высоты всасывания.

Рыборазведение. Многие пруды, в которых разводится рыба, каждую осень опорожняют для ее отлова. Если же пруд эксплуатируется круглый год и рыба в нем зимует, то мертвый объем и его глубина с учетом ледообразования должны обеспечивать рыбе достаточную площадь, корм и воздух.

Санитарные и противомалярийные требования. Согласно им глубина воды в прудах у плотины летом должна быть не менее 2−3 м.

Чтобы получить отметку уровня (112 м V Умо) к отметке дна на топографической характеристике прибавляют 2−3 м и проводят горизонтальную линию через полученную отметку до пересечения линии УМО с кривой V =f (Н), опускают перпендикуляр на шкалу объемов и отсчитывают по ней УM0 (см. рис. 1.2).

Полный объем пруда определяют как сумму полезного и мертвого объемов:

VПОЛ=VПЛЗ +VМО=102,5+118=220,5 тыс м3 (1.14).

По величине полного объема на топографической характеристике (см. рис. 1.2) определяют отметку V НПУ без учета потерь. Затем V НПУ определяют с учетом потерь, прибавляя к НПУ слой потерь. Допустим V НПУ= 112,65 м, hпот = 0,592 м, тогда с учетом потерь V НПУ будет равна 112,65 м + 0,592 = 113,1 м. Полученная НПУ с учетом потерь уточняется расчетом:

Wпот= (1.15).

где щнпу, щумо — площади зеркала при соответствующих отметках, снятые с топографической характеристики (см. рис. 1.2).

Исходя из этого подсчитывают весь объем воды в пруду и окончательно принимают отметку V НПУ и объем, т. е. V HПУ = VМО + VПЛЗ + Wпот =102,5+118+101,074=321,574 тыс. м3.

Зная расчетный сток и плановую отдачу, ведем расчет водохранилища сезонного регулирования предварительно без учета потерь, а затем окончательно с учетом потерь на испарение и фильтрацию (табл. 1.5).

При табличнобалансовом расчете водохозяйственный год устанавливаем с максимального притока воды с водосбора (с IV месяца). Плановую отдачу, т. е. объем воды, идущий на орошение и водоснабжение, распределяем по месяцам следующим образом: равномерно Wвод на каждый месяц водохозяйственного года плюс Wop — на вегетационный период.

Распределив отдачу (U) по месяцам, определяем конечные наполнения водоема (пруда). Расчет ведем с момента опорожнения пруда (с начала водохозяйственного года от величины VM0) вперед по ходу времени в году путем прибавления расчетного стока WP и вычисления расходуемой отдачи. В гр. 4 табл. 1.5 при расчете конечных наполнений, если объем получается больше полного Vпол, записываем величину полного объема (Vпол), а излишки, которые составят величину сброса (S), заносим в гр. 5.

Затем ведем расчет с учетом потерь. Для этого определяем средние объемы:

Vср=(Vн +Vк)/2 (1.16).

где VH и VK — объемы пруда на начало и конец месяца (по данным табл. 1.5).

Среднюю площадь зеркала щср (гр. 7) находят по топографической или объемной характеристике, в гр. 10 рассчитывают объем потерь WПOT = щср hпот, слой потерь hпот в миллиметрах по месяцам берут из табл. 1.4. Рассчитанные потери hпот в миллиметрах переводят в метры и получают отдачу с учетом потерь, равную Vплз Дальнейший расчет конечных наполнений ведем аналогично варианту, рассчитанному без учета потерь, с новым полученным полным объемом.

По результатам регулирования строят графики работы водохранилища — конечных наполнений (VК) с учетом и без учета потерь (см. табл. 1.5 и рис. 1.3).

Таблица — Расчёт водохранилища сезонного регулирования.