5.2 Водоприёмники осушительных систем

5.2.1 Требования, предъявляемые к водоприёмникам и причины их неудовлетворительного состояния

Задача водоприёмника - принимать воду с осушаемой территории и обеспечивать бесподпорную работу осушительной сети. Водоприёмниками служат балки, реки, водохранилища, моря и т.д. К водоприёмнику предъявляют следующие требования: он не должен создавать подпора в осушительных каналах; должен обладать достаточной пропускной способностью; русло водоприёмника должно быть стабильно в пределах всего осушаемого массива, берега прочны и устойчивы; при выходе воды в половодье из берегов песчаные наносы не должны отлагаться в пойме, допускается лишь илистый наилок, способствующий повышению плодородия почвы.

Подпор воды в каналах со стороны водоприёмника допускается только в период прохождения максимальных расходов талых вод. Продолжительность весеннего затопления (если это предусмотрено) не должна превышать допустимых значений. В естественном состоянии водоприёмники не всегда удовлетворяют этим требованиям.

Причины неудовлетворительного состояния водоприёмников: высокое положение водотока по отношению к осушаемым землям; малые размеры русла, не обеспечивающие приём и отвод воды из осушительной сети; малые уклоны дна русла из-за извилистости; высокая шероховатость русла при зарастании кустарником и водной растительностью; неравномерное движение воды, ведущее к потерям напора и повышению уровней воды; подпор воды искусственными сооружениями.

На основе анализа причин неудовлетворительного состояния водоприёмника назначают мероприятия по его регулированию.

5.2.2 Способы регулирования водоприёмников

Основными целями регулирования водоприёмников являются понижение уровней воды в них и увеличение водопропускной способности.

Мероприятия по регулированию русла водоприёмника: увеличение пропускной способности реки с помощью очистки русла от растительности и мусора; увеличение поперечного сечения русла углублением и расширением; увеличением уклона и скоростей движения воды путём спрямления реки, придания речному потоку равномерного движения с помощью выправительных работ; частичная разгрузка водоприёмника.

Очистка русла водоприёмника

Зарастание русла кустарниково-древесной растительностью не только уменьшает поперечное сечение русла, но и во много раз увеличивает его коэффициент шероховатости. Для борьбы с зарастанием применяют химические средства и машинную очистку. Большой эффект дают травоядные рыбы: амур белый и пёстрый, толстолобик и другие.

Наиболее обоснованный и эффективный способ борьбы с зарастанием - машинная очистка. Для очистки водоприёмников от растительности применяют смонтированные на моторных лодках и понтонах косилки, а для удаления мусора используют экскаваторы со специальными ковшами.

Углубление и расширение русла

Углубление и расширение русла проводят на реках со слабо выраженной извилистостью, когда необходимо небольшое понижение уровней воды.

Углубление русла приближает его к гидравлически наивыгоднейшему сечению. Однако это не всегда удобно, так как углубление лимитируется: нельзя заглублять реку ниже дна реки, в которую она впадает. Ширину русла можно изменять в более широких пределах, чем глубину. Однако с увеличением только ширины русло становится менее гидравлически выгодным. Наиболее распространён способ регулирования, основанный на одновременном углублении и расширении русла.

При углублении и расширении русла работы выполняют сухопутными, плавучими экскаваторами или с помощью средств гидромеханизации (землесосные установки, землечерпалки).

Спрямление русла

Спрямление русла проводят на извилистых участках реки с недостаточными уклонами и скоростями движения воды. Спрямление реки увеличивает гидравлический уклон потока, снижает потери напора. Вследствие чего увеличивается скорость течения воды и пропускная способность русла.

Применяют следующие способы спрямления русла: короткие систематические прокопы - проектная трасса вписывается в существующее русло; решительное спрямление - проектная трасса проходит за пределами существующего русла; одиночные прокопы - спрямляются значительные излучины реки (рисунок 2). Спрямления, выполненные разными способами, сопрягаются в общее, плавно изменяющееся русло. Руслу реки придаётся устойчивая форма поперечных сечений. Наиболее устойчивая форма поперечных сечений русла - параболическая.

1 - короткие систематические прокопы;

2 - «решительное» спрямление; 3 - прокоп одиночный

Рисунок 2 – Типы спрямлений

В верховьях рек при небольших глубинах русла форма может быть принята трапецеидальной.

Ниже приводится методика определения глубины воды в спрямлённом русле (предложена профессором Мартыненко Г.Н.)

До спрямления расход воды в русле , м³/с:

.

После спрямления этот же расход:

,

где – ширина русла до и после спрямления (неизменяема), м;

и – соответственно глубина воды в русле до спрямления и после него, м;

и – гидравлический уклон потока в русле до и после спрямления;

и – коэффициенты Шези до и после спрямления.

Приравняв правые части уравнений, получим:

.

Выполнив соответствующие действия, будем иметь:

.

В полученном уравнении известными являются . Коэффициент Шези определяется по одной из известных формул. Неизвестные – и .

Уравнение решается методом подбора. Задаваясь значениями (в пределах от нуля до ), постепенно достигаем равенства правой и левой частей уравнения.

Спрямление водоприёмников обычно проводят сухопутными экскаваторами-драглайнами, а более крупных водотоков (при ширине их более 15 м) – скреперами.

Выправительные работы в русле реки

Выправительные работы выполняют для придания руслу правильной формы, создания и поддержания одинаковой ширины. Выправительные работы придают динамической оси потока плавность, а движению воды - равномерность.

При выправительных работах применяют струенаправляющие и водостеснительные дамбы.

Струенаправляющие дамбы размещают на расстоянии, равном ширине реки от устойчивого берега. В плане им придают плавное очертание. Между дамбой и берегом образуется карман (отмель), который постепенно заиливается взвешенными в воде наносами (рисунок 3).

Водостеснительные дамбы, которые называются также полузапрудами или бунами, располагают под углом 100-110 к оси русла водотока против течения, обычно с обоих сторон расширенного русла.

а) продольные; б) поперечные;

1 - струенаправляющие дамбы; 2 - траверсы;

3 - буны (полузапруды)

Рисунок 3 – Выправительные сооружения

Расстояния между полузапрудами принимают от одной трети нормальной ширины русла (на больших реках) до трёх четвертей ширины (на малых реках), но не более четырёхкратной длины полузапруд. Ширину русла в месте сужения принимают равной средней ширине регулируемой реки.

Так же, как и при работе струенаправляющих дамб, между полузапрудами скорость течения резко снижается и происходит отложение взвешенных наносов.

Полузапруды устраивают, как правило, из двухрядного плетня. Через 2-3 м их стягивают поперечным плетнем. Затем плетневые клетки заполняют камнем, почвогрунтом или дерниной.

Выправительные работы, как правило, в настоящее время не применяют, так как процесс кольматации долговременный и, кроме того, вода должна содержать большое количество наносов.

Разгрузка водоприёмников

В ряде случаев уровень воды в водоприёмнике можно понизить путём разгрузки его при прохождении паводковых расходов. Это достигается или задержанием части паводковых вод на водосборе, или отводом части их по специальным разгрузочным каналам в обход наиболее трудных для регулирования участков водоприёмника.

Разгружать водоприёмники путём задержания паводковых вод на водосборе можно на крупных реках, имеющих большие водосборные площади с разветвлённой сетью протоков. На протоках этих рек устраивают регулирующие водоёмы, где задерживается часть паводковых вод. После прохождения паводка накопленная вода сбрасывается в водоприёмник в период летних бытовых расходов.

Водоёмы используют также для разведения рыбы и водоплавающей птицы, улучшения водоснабжения населения и как места отдыха населения. Устройство разгрузочных каналов для снижения уровней воды в водоприёмнике целесообразно, когда стоимость канала и последующей его эксплуатации меньше стоимости мероприятий по регулированию русла.

Разгрузочные каналы могут быть двух видов: обводные и перехватывающие.

Обводной канал выходит из регулируемого водоприёмника выше неблагоприятного участка, обходит этот участок и снова впадает в водоприёмник ниже по течению.

Перехватывающие разгрузочные каналы устраивают в тех случаях, когда на неблагоприятном участке водоприёмника в него впадают значительные протоки (рисунок 4). Перехватывающие каналы трассируют по повышенным участкам поймы, возможно ближе к коренному ее берегу с таким расчётом, чтобы они могли служить и нагорными каналами для осушаемого участка. Для регулирования расходов воды по каналу в начале и в конце их устраивают шлюзы-регуляторы.

1 - водоприёмник; 2 - разгрузочный канал; 3 - притоки

Рисунок 4 – Разгрузка водоприёмника с помощью

перехватывающего канала