Моделирование работы линейных польдерных систем. Приведение польдерной системы к линейному виду

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование работы линейных польдерных систем. Приведение польдерной системы к линейному виду

Н.М. Кащенко,

В. П. Ковалев,

В. В. Васильев

Аннотация

осушение массив польдерный линейный

Для действующих польдерных систем Неманской низменности характерна неравномерность осушения массива, вызванная несогласованностью работы составляющих ее элементов. Приведение польдерной системы к линейному виду достигается учетом в расчете параметров проводящей сети и производительности насосной станции эффекта естественного замедления стока, времени добегания дренажного стока от створов дренажных систем, составляющих водосбор польдерной системы, к створу насосной станции.

Annotation

The existing polder systems of Neman lowland have irregular drainage caused by uncoordinated work of their elements. Bringing of polder system to the linear type is completed by taking into account, while calculating parameters of conduction network and productivity of pump station, the effect of natural slowdown of drainage, and the time necessary for the drainage to flow from the gates of drainage systems, which make up the polder system catchment, to the gate of pump station.

Введение

Системные экспериментальные исследования польдерных систем Неманской низменности выявили характерную для них неравномерность осушения массива. Характеристики работы дренажа, приближаясь по своим значениям к проектным значениям непосредственно возле насосной станции, существенно ниже их на осушаемом массиве. Анализ экспериментальных исследования показал, что неравномерность осушения является следствием несогласованной работы составляющих польдерную систему элементов - дренажа, каналов проводящей сети и насосной станции. Примененные для расчета параметров дренажа, сети проводящих каналов и насосной станции методы не учитывали особенности формирования стока на осушаемом массиве в условиях безуклонного или малоуклонного рельефа при сбросе дренажных вод за пределы осушаемого массива.

Анализ источников

В практике расчета и проектирования польдерных систем и теоретических работах на эту тему в России и Беларуси, и в мировой практике не рассматривался вопрос проектирования польдерных систем именно как линейных гидрологических объектов. В нормативных документах, в частности [1], при продекларированном подходе к расчету дренажа польдерных систем как для самотечных систем, основные положения направлены на проектирование польдерной системы как линейного гидрологического объекта. Инструкция «Росводстроя», примененная при проектировании ряда польдерных систем Неманской низменности, основана на материалах исследования систем области, в том числе и системы 41 [2]. Исследование работы системы 41 (БелНИМиВХ,1989 г.) показали, что формирование стока на массиве польдерной системы идет с четко выраженным образованием в каналах кривых спада c уклонами свободной поверхности воды i0.000005, что в принципе недопустимо. Анализ проектирования польдерных систем Неманской низменности в историческом разрезе показывает, что основной задачей проектирования являлся и является в настоящее время поиск оптимальных параметров систем.

Методы исследования

Объектами исследований явились польдерные системы Неманской низменности Калининградской области. Основными методами исследований были метод водного баланса и режимные экспериментальные откачки с проведением системных наблюдений за формированием уровней воды в каналах и связанных с ними уровней грунтовых вод.

Основная часть

Анализ работы действующих польдерных систем. Приведенные на рис. 1 результаты системных наблюдений за динамикой формирования уровней грунтовых вод на осушаемом массиве польдерной системы 15 показывают степень интенсивности снижения уровней грунтовых вод с удалением от насосной станции.

Рис. 1. Интенсивность снижения уровней грунтовых вод в зависимости от величины h_осh_от, для польдерной системы 15,

i = 6.2еxp(-0.00458L), 1 - при h_ос - h_от = 0.0мм, 2 - при h_ос - h_от = -10мм, где h_ос - слой осадков, мм; h_от - слой откачки, мм

Анализ работы действующих польдерных систем показывает, что согласование режимов работы дренажа, каналов проводящей сети и насосной станции достигается учетом в расчете их параметров времени добегания дренажного стока от составляющих водосбор польдерной системы дренажных систем к створу насосной станции.

Математическая модель. Математическая модель польдерной системы состоит из уравнений течения воды в каналах, уравнений течения воды в дренах и уравнения фильтрации грунтовых вод [3]. Движение потоков воды в каналах описано уравнениями мелкой воды (уравнения Сен-Венана):

(1)

Движение в дренажных трубах воды с переменной массой описывается уравнением Коновалова-Петрова, которое для напора h_d(y) имеет вид:

(2)

где Q(x,t) - расход воды, м³/с; h(x,t) - уровень поверхности воды, м; (x,t) - локальный боковой приток, м²/с; g - ускорение силы тяготения Земли, м/с²; - модуль расхода, м³/с; C_k = R_k^m/n - коэффициент Шези, м^1/2/с; для обсуждаемых условий m 1/6, n - коэффициент трения, для открытых каналов n [0.02; 0.03]; R_k - гидравлический радиус, равный отношению площади поперечного сечения потока к смоченной части периметра этого сечения, м; y[0;L] - координата, направленная вдоль дрены, м; L - длина дрен, м; W_d - площадь сечения дрены, м²; - коэффициент продольной неравномерности скорости движения воды в дрене; - модуль расхода, м³/с; R_d - гидравлический радиус дрены, м; C_d - коэффициент Шези для дрены, м^1/2/с; Q_d - суммарный сток воды на отрезке [y; L]; ,м³/с, q - фильтрационный приток; , м²/с; K_ф - скорость фильтрации, м/с; H - уровень грунтовых вод, отсчитываемый от поверхности, м; - фильтрационные сопротивления на входе в дрену; =₀ + _I; _I - фильтрационные сопротивления; _о - фильтрационные сопротивления, определяемые граничными условиями фильтрации; S - длина гончарной трубки, м; д - толщина водоприемного отверстия между дренажными трубками, м; ₀ - коэффициент водоотдачи.

Расчет водоотдачи в динамическом режиме по кривой распределения пор по диаметрам предполагает существование неразрывности во всем почвенном массиве пор одного диаметра, использованное С. Нерпиным и Е. Хлопотенковым в капиллярной модели грунта [2]. Эта гипотеза, с учетом экспериментальных данных [3], приводит к гипотезе существования в почве минимального объема, характеризуемого спектром распределения пор, независимым от его расположения и ориентации в почве при условии, что формализация гипотезы неразрывности пор одного диаметра допускает прохождение пор одного диаметра через поры другого диаметра. Введение понятия минимального объема почвы означает, что эти почвы могут быть представлены в виде пучка капилляров с характеризующим его спектром распределения пор, изотропного и однородного в объеме почвы.

Без учета влагообмена между пленкой и гравитационной влагой система уравнений переноса влаги по пленкам может быть записана в виде уравнений Навье-Стокса:

(4)

где h - толщина пленки, м; - осредненная скорость движения по пленке, м/с; - скорость движения волны, . Одна из эмпирических формул для скорости , полученная при обработке данных таблицы, имеет вид: (где h выражено в слоях молекул воды).

Таблица. Экспериментальные исследования переноса влаги по пленкам [4]

В используемой для расчета модели обмен влагой между пленкой и капиллярной влагой в уравнениях непрерывности пленки и в капиллярных уравнениях учитывается слагаемыми вида:

, (5)

где h₀ - толщина равновесной пленки, м; _p - скорость (характерное время) влагообмена, с.

Таким образом, эта система примет вид:

(6)

Здесь b - нормировочный множитель, м.

Использование системы уравнений (5) для расчета переноса влаги в ненасыщенной зоне почвы позволило получить хорошее качественное совпадение рассчитанных значений для условий опытов M. Hallaire [7], С. И. Дмитриева, В. К. Нечаева [8] и для динамической водоотдачи в опытах И. Л. Калюжного, К. К. Павловой [9].

Приведение польдерной системы к линейному виду. Приведение польдерной системы к линейному виду заключается в размещении в каналах проводящей сети под уровнями пропуска расчетных объемов редукции стока, обеспечивающих непосредственную гидравлическую связь между дренажными системами и створом насосной станции. В процессе моделирования при задании параметров магистрального канала в качестве специфических граничных условий используется интеграл Дюамеля в виде:

W_{вл.эл.пл.i} = q_др.с.i·F_др.с.i·ф_i, W_{вл.кан.k}=W_{вл.эл.пл.i}, W_{вл.польд}=W_{вл.кан.k,} (7)

где q_др.с.i - модуль стока, принятый для расчета дренажа, м/с; F_др.с.i - площадь единичной дренажной системы, м²; _i - время добегания от единичной дренажной системы к створу насосной станции, с, _i = L/V; m - число дренажных систем на осушаемом массиве; i_k, n_k - диапазон номеров дренажных систем, подсоединенных к k-му каналу; _i = _max - характерное время польдерной системы.

Результаты моделирования. Расчеты с использованием модели (1-2,5) и граничных условий (6) проведены для вариантов польдерных систем площадью 250-6000 га. Рельеф осушаемого массива представлен не имеющим уклона. Длины каналов составляли L_кан = 5000-50000м, а подсоединенными к ним дрены длиной L_др = 500м, диаметром d_др = 0,1м и глубиной залегания Н_др = 1,3 м. Используемые в расчетах значения параметров приняты по формуле Н. Эффендиева и экспериментальным данным для гончарного дренажа [10, 11]. Грунты с коэффициентами фильтрации К_ф = 1,710^-5м/с с глубины 1,3 м подстилаются водоупором.

В численных экспериментах в открытых каналах польдерных систем длиной 15000 м при условии размещения в них под горизонтами заложения дренажа объемов, вычисленных с использованием зависимостей (6), величины уклонов свободной поверхности воды для момента времени, равного времени добегания, имеют значения. I_кан = 0,000004. Что для условия достижения q_др = 10^-7м/с на глубине заложения дренажа можно признать приемлемым для практики расчета линейных польдерных систем. Для условий численных экспериментов полученные значения характеристик работы польдерных систем для условия q_др.с = 10^-7м/с приведены на рис. 2.

Рис. 2. Значения составляющих производительность насосной станции Q_нс = Q_кан + Q_др = V/t + q_дрF, расчетной польдерной системы в зависимости от размеров площади осушаемого массива F - (3): составляющая для откачки канала Q_кан = V_кан/t_пс - (1), составляющая для откачки дренажного стока Q_др = q_дрF - (2). 4 - производительность насосной станции польдерной системы, рассчитанная с использованием экспериментальных данных по зависимости (1)

Хорошее совпадение рассчитанных и полученных с использованием экспериментальных значений производительности насосных станций показывает, что учет времени добегания стока в расчетах параметров, составляющих польдерную систему элементов, является необходимым условием проектирования систем. Приведенные на рис. 3 графики зависимости величины междренных расстояний от длины канала (размеров площади осушаемого массива) соответствуют условию достижения расчетного значения модуля дренажного стока q_др = 10^-7м/с (q_др = 1 л/(с га)) на горизонтах заложения дренажа.

Рис. 3. Зависимость величин расстояний между дренами от длины канала (площади осушаемого массива) польдерной системы при постоянном значении величины водоотдачи (1) и с динамическим режимом изменения величины водоотдачи (2)

Экспериментальные данные и результаты проведенных численных экспериментов показывают, что для польдерной системы характерно наличие фактически абсолютной связи параметров, составляющих польдерную систему элементов между собой, и площадью осушаемого массива. Из этого следует, что для польдерных систем расчет параметров дренажа, каналов проводящей сети, производительности насосной станции, конструктивных отметок установки насосно-силового оборудования должен производиться только в едином комплексе.

Заключение

1. Системные экспериментальные исследования работы действующих польдерных систем Неманской низменности показали, что характерная для них неравномерность осушения является следствием неучтенного в расчетах параметров дренажа, сети проводящих каналов и насосной станции методы времени добегания стока к створу насосной станции.

2. Приведение польдерной системы к линейному виду осуществляется с использованием инженерного решения, заключающегося в размещении в каналах проводящей сети под горизонтами заложения дренажа объемов добегания стока. Расчет объемов добегания стока от дренажных систем к створу насосной станции ведется с использованием интеграла Дюамеля.

3. Расчет параметров дренажа польдерных систем с использованием системы уравнений, основанной на модели движения влаги по пленкам, позволяет физически обоснованно проводить расчеты параметров дренажа. Использование в расчетах гипотезы существования минимального объема почвы позволяет упростить формализацию расчетной схемы моделирования.

Литература

1. Руководство по проектированию и изысканию объектов мелиоративного и водохозяйственного строительства в Белорусской ССР (РПИ-82).Часть11.Осушительные и осушительно-увлажнительные системы. Книга 2. Мелиоративные системы с механическим водоотводом. - Минск: Белгипроводхоз, 1983. - 176 с.

2. Временная инструкция по водохозяйственным и гидравлическим расчетам осушительных систем с механическим водоподъемом в Калининградской области. - М.,1949г. - 100 с.

3. Кащенко, Н. М. Расчет линейных польдерных систем / Н. М. Кащенко, В. П. Ковалев // Проблемы устойчивого развития мелиорации и рационального природопользования. Материалы юбилейной международной конференции. - М., 2007. - С. 195-200.

4. Нерпин, С. Обобщение закона Дарси для случаев нелинейной фильтрации в ненасыщенных и насыщенных грунтах / С. Нерпин, Е. Хлопотенков // Доклады ВАСХНИЛ. - 1970. - №11. - С. 3-17.

5. Лундин, К. П. Исследование структурных пор торфа с помощью радиоактивных изотопов / К. П. Лундин, Л. Б. Свердлова // Мелиорация и использование осушенных земель. - Минск: Урожай, 1966. - С. 48-67.

6. Диэлько-влажностные характеристики почвенных образцов с различным содержанием гумуса в сантиметровом и дециметровом диапазонах / П. П. Бобров [и др.] // Естественные науки и экология. Ежегодник ОмГПУ. - 2001. - С. 3-7.

7. Hallaire M. Le potential efficace de l' eau dans le sol en regime de dessechement. In «L'eau et production vegetale», I.N.R.A. Paris ed, 1964, 27-62.

8. Дмитриев, С. И. К вопросу о применимости уравнения диффузии для изучения явления влагопроводности в почво-грунтах / С. И. Дмитриев, В. К. Нечаев // «Труды ЛГМИ», 1962. - Вып. 13. - С. 25-40.

9. Калюжный, И. Л. Экспериментальные исследования процесса водоотдачи почвы при различных скоростях изменения уровня грунтовых вод / И. Л. Калюжный, К. К. Павлова // Труды ГГИ, вып. 268, Вопросы гидрофизики почв. - Л.: Гидрометеоиздат, 1980. - С. 39-50.

10. Месюк, В. М. Осушительное действие гончарных дрен новых конструкций / В. М. Месюк, В. Т. Климков // Мелиорация и водное хозяйство. - Минск: Ураджай, 1983. - С. 4-9.

11. Валтер, Я. Я. Зависимость притока воды к дренам от их диаметра / Я. Я. Валтер // Гидротехника и мелиорация. -1980. - №1. - С. 48-50.

Размещено на Allbest.ru