Определение расстояний между регулирующими каналами

Расстояние между каналами регулирующей сети в значительной степени определяет величину и скорость понижения почвенно-грунтовых вод на осушаемой площади. В природных условиях действие осушительных каналов зависит от многих причин: от типа водного питания, соотношения величин осадков и испарения, глубины залегания водоупора на болотных почвах и характера подстилающего торф грунта, глубины осушителей, уклона поверхности осушаемых территорий, порозности почвы и размера пор, состояния древостоя (состава, полноты, возраста, класса бонитета) и др. Все причины с необходимой точностью учесть сложно, поэтому в практике проектирования осушительных систем используют несколько методов определения расстояния между осушительными каналами.

Гидрологический метод основан на скорости понижения уровня грунтовых вод на требуемую глубину за определенное время. Для расчета расстояния между каналами по этому методу существует несколько формул. В условиях близкого залегания водоупора, часто встречающегося при осушении земель в лесном хозяйстве, наиболее совершенной является формула проф. X.А. Писарькова, позволяющая кроме фильтрационных характеристик грунта учитывать и расход влаги на суммарное испарение:

 (86)

где L - расстояние между осушителями, м; К – коэффициент фильтрации, м/сут; h₁ - начальный напор, м; h₂ - конечный напор, м (рис. 22); t - время понижения уровня грунтовых вод, сут, на величину h₁-h₂;  - удельная водоотдача; е - суммарное испарение, м/сут; Р - количество осадков, достигших почвы за время t, м.

Удельную водоотдачу можно определить для минеральных почв по формуле Г.Д. Эркина:

 (87)

для торфяных почв по формуле А.И.Ивицкого:

 (88)

Известно, что чем больше водопроницаемость и водовместимость грунта, тем выше водоотдача и большее количество воды требуется отводить. Однако, определяя расстояние между каналами, следует учитывать и расход влаги на суммарное испарение. При его увеличении уменьшается потребность в отводе воды осушителями. Поэтому повышенная водоотдача не всегда ведет к увеличению расстояния между осушителями. Например, при лесокультурном освоении богатых торфяников можно ограничиваться редкой сетью осушителей, так как лесные культуры в молодости довольствуются малой нормой осушения, а по мере развития с усилением транспирации увеличивают суммарное испарение, способствуя понижению грунтовых вод.

Лесоводственный метод определения расстояния между осушителями основан на выявлении изменения влияния осушения на рост леса по мере удаления от каналов. Расстояние от канала на участке, где производительность древостоя снижается на один класс бонитета по сравнению с производительностью возле канала, принимается за половину расстояния между осушителями. Недостатком этого метода является то, что снижение влияния осушения по мере удаления от осушителей происходит постепенно и трудно установить предельную удаленность влияния осушения. Даже в сходных лесорастительных условиях влияние осушения на рост будет распространяться по-разному в зависимости от глубины осушителей, уклонов поверхности, состава и производительности древостоя. Совершенно недопустим лесоводственный метод определения расстояний между осушителями по оценке эффективности осушения на участках, осушенных одиночными каналами.

Технико-экономический метод определения расстояния между осушителями выявляет наибольшую рентабельность средств, вкладываемых в осушение. Очень высокую производительность древостоев можно получить при очень густой сети осушителей и дорогостоящем строительстве. Технико-экономический метод не ставит целью максимальное увеличение потенциально возможного прироста при данном богатстве почв. Его задачей является наивыгоднейшее соотношение расходов на осушение и доходов от него. Такой метод требует точного прогнозирования изменения прироста на разных удалениях от каналов, что сложно сделать. Это и является его недостатком.

Комплексный метод предлагает определять расстояние на основе всех вышеизложенных методов или части их.

По мере интенсификации лесного хозяйства расстояния между осушителями стали уменьшаться. В конце прошлого века расстояния между осушителями принимались равными 1067 м при глубине их до 1,6 м. А.Д. Дубах в 50-х годах рекомендовал расстояния на сфагновых болотах в размере 300 м, на низинных - 300-500 м. В те же годы, когда началось широкое развитие работ по осушению лесных земель, расстояния принимались до 300-400 м. В настоящее время на основе исследований различных научных учреждений и производственного опыта рекомендуются значительно меньшие расстояния (табл. 18). При грунтово-напорном питании расстояние между осушителями, указанные в табл. 18, уменьшаются на 25-30%. Снижаются на 20-25% упомянутые расстояния и при осушении лесов зеленых зон, используемых для отдыха, а при осушении лесопарков их следует уменьшать на 30-35 %.

Влияет на расстояние между осушителями и уклон местности. Располагая осушители под острым углом к горизонталям при уклонах 0,005-0,01, расстояния следует увеличить на 5-15 %.

Понижение уровня грунтовых вод на осушенных землях определяется не только отводом воды осушительными каналами, но и расходом влаги на суммарное испарение. Величина испарения, как отмечалось в Лекции 1, сильно меняется в разных зонах, уменьшаясь с севера на юг. Поэтому территория Российской Федерации разделена на девять климатических зон (табл. 19). Х.А. Писарьков и А.Ф. Тимофеев, принимая расстояния между осушителями в центральной зоне за 1, для остальных зон рекомендуют определять их с учетом зональных коэффициентов. В табл. 19 приведены уточненные на основе последних исследований зональные коэффициенты.

Расстояния между каналами при осушении земель под сельскохозяйственные культуры можно ориентировочно принимать по табл. 20. Меньшие расстояния рекомендуются для условий грунтово-напорного типа водного питания и водоупорных подстилающих грунтов.

 

Продольный профиль каналов

Допустимая скорость движения воды в каналах. Вода в незакрепленных руслах каналов, взаимодействуя при движении с дном и стенками (откосами) каналов, разрушает их, захватывает частицы грунта и транспортирует их, перемещая в придонном слое во взвешенном состоянии.

Таблица 18 -Расстояние между осушителями на лесных землях

Примечания: 1. На участках с незаторфованными землями и периодическим избыточным увлажнением принимается расстояние 250-350 м.

2. Расстояния между осушителями даны при их глубине I м после осадки торфа: при изменении глубины осушителей на 0,2 м расстояние между ними изменяется на 10-15 %.

Таблица 19 - Зональные коэффициенты для определения расстояний между осушителями

 Таблица 20 - Расстояния между осушителями при сельскохозяйственном использовании болот, м (по Х.А. Писарькову)

Скорость течения воды, при которой происходит постоянное движение частиц грунта, называется размывающей скоростью. Частицы грунта, образовавшиеся за счет размывания каналов и в процессе смыва с откосов и берегов каналов, образуют твердый сток. В процессе перемещения взвешенный частицы твердою стока при определенных скоростях движения воды могут откладываться в каналах. Скорость движения воды, при которой наносы поддерживаются потоком во взвешенном состоянии, называются незаиляющей скоростью.

Проектируя осушительные системы, необходимо принимать скорости течения выше незаиляющих и ниже размывающих. При гидравлических расчетах каналов рекомендуется принимать определенные максимально допустимые скорости (табл.21).

Таблица 21 - Максимально допустимые скорости воды в каналах

Грунт	Размер фракций, мм. или степень разложения торфа, %	Скорость, м/с
Песок:
крупный	1,0-2,5 (90 % от веса)	0,60-0,75
средний	0,25-1,0 (80 %)	0,45-0,60
мелкий	0.05-0.25 (80 %)	0.35-0.45
Суглинок:
тяжелый	0,01 (35 % от веса)	0,70-1,30
средний	0,01 (22%)	0,60-1,00
легкий	0.01 (17 % 'l	0.50-0.70
Торф:
сфагновый	55	0,65-0,75
гипново-
осоковый	55	0,85-0,90
древесный	70	0,40-0,45

Примечание. Минимальные скорости принимаются равными 0.2-0.4 м/с.

 

Уклоны для каналов. С учетом обеспечения неразмываемости и незаиляемости русла каналов регулирующей сети уклоны дна принимаются в пределах 0,0007-0,005. При малых уклонах поверхности в условиях плоского рельефа допускается снижение уклонов до 0,0005. При осушении незначительных водосборов и устройстве одиночных каналов по тальвегам допустимы уклоны до 0,01, особенно на болотах со слаборазложившимся торфом. Для каналов проводящей сети и оградительных каналов рекомендуется принимать уклоны в пределах 0,0003-0,005. Для каналов с водосборной площадью более 10 тыс. га допускается снижение уклонов до 0,00015-0,00020.

При больших уклонах для уменьшения скорости движения воды устраивают перепады или быстротоки (см. рис. 43,44).

Проектирование каналов (составление профилей) начинается с проектирования регулирующей сети (осушителей, нагорных и ловчих, тальвеговых каналов). Далее составляют профили проводящих каналов (собирателей), на которых отмечают места впадения регулирующих каналов и высотное положение их дна. Последними составляют продольные профили магистральных каналов, на которых также отмечают места впадения и отметки дна впадающих в них каналов.

Продольные профили каналов строят по отметкам, взятым с плана пикетажа, разбитого через 100 м по оси каналов. Продольные профили (рис. 36) строят по принятым в курсе геодезии правилам.

Рис. 36. Продольный профиль осушителя

Глубина каналов. В зависимости от назначения каналы осушительной сети устраивают различной глубины. На минеральных грунтах каналы делают глубиной 0,7-0,8 м, на оторфованных землях их глубина зависит от почвенно-трунтовых условий и глубины торфа (табл. 22).

Таблица 22 - Минимальная глубина осушителей

Мощность	Проектная глубина осушителей с учетом	Минимальная установившаяся
торфа, м	осадки торфа до 25 %, м	глубина осушителей, м
0,1-0,5	0,9-1,0	0,8-0,9
0,6-1,3	1,1-1,2	1,0
Более 1,3	1,3-1,5	1,2

 

При осушении неглубоких торфяников осушители, если дно их располагается на границе торфа и подстилающего грунта, следует заглублять на 0,1-0,2 м в минеральный грунт, подстилающий торф. Ловчие каналы при глубине водоупора не более 2,5-3,0 м должны врезаться в водоупорный горизонт.

Глубина воды в каналах регулирующей сети (осушителях) летом не должна превышать 5-10 см. Собиратели устраивают на 1015 см глубже осушителей, а глубину магистральных каналов принимают на 20-30 см больше глубины транспортирующих собирателей. Необходимость увеличения глубины каналов транспортирующей сети по сравнению с регулирующими каналами объясняется тем, что в меженный период горизонт бытовых вод проводящих каналов не должен подтапливать и затруднять сток воды из регулирующих каналов.

 

Осадка торфа

Определяя глубину каналов, следует учитывать, что после осушения происходит осадка торфа. Основной причиной осадки является отдача воды торфом вследствие понижения уровней грунтовых вод после устройства осушительных каналов. Выше показано, что в неосушенных торфяниках содержание воды достигает 85-95, а в торфах верховых болот - до 98 % объема. До осушения торф как бы плавает в воде. После понижения грунтовых вод верхние слои торфа, лишенные гравитационной воды, увеличивают давление на нижние слои, уплотняя их. Происходит осадка торфа, продолжающаяся на протяжении многих лет. Однако в основном торф оседает в первые 1-2 года после осушения.

Исследованиями установлено, что на верховых, а иногда и переходных болотах в первые годы после осушения осадка поверхности болот может достигать 0,3-0,5 м. Особенно сильно происходит осадка возле каналов осушительной сети.

Уменьшение глубины канала после осадки торфа, если каналы залегают целиком в торфе, можно определить по формуле:

 (89)

где Т - проектная глубина канала, м; m - коэффициент, учитывающий осадку торфа (табл. 23); Т₀ - глубина канала в торфе после его осадки, м.

Таблица 23 - Показатели осадки торфа

Показатели	Плотность торфа
	Плотный	Средней плотности	Довольно рыхлый	Рыхлый
Объемный вес, г/см^3	0,15	0,12-0,15	0,10-0,12	0,08-0,1
Коэффициент: болота низинные	1,20	1,25	1,35	1,50
Болота верховые	1,30	1,40	1,50	1,65

 

Величина осадки зависит от плотности торфа, находящейся в зависимости от объемного веса торфа, характеризующего содержание в нем твердой фазы (г/см³), и типа болота.

Поскольку осадка торфа зависит от глубины торфа, то ее величину приближенно можно определить в зависимости от глубины торфа (табл. 24).

Таблица 24 - Коэффициент осадки торфа K_о

Плотность торфа	Глубина торфа, м
	0.1-0,6	0.6-1.3	Более 1,3
Плотный	0,88	0,83	0,81
Средней плотности	0,82	0,77	0,72
Довольно рыхлый	0,75	0,66	0,61
Рыхлый	0.67	0.54	0.48

 

Установив осадку торфа и определив проектную глубину канала, вычисляют, с учетом уклона, отметки дна каналов на продольных профилях (см. рис. 36).

 

Поперечный профиль каналов

Правильный выбор поперечного сечения каналов в значительной степени обеспечивает сохранность осушительной сети. Поперечный профиль характеризуется глубиной канала, шириной дна и крутизной откоса. Для обеспечения механизации работ и в связи с небольшими расходами воды каналы регулирующей сети обычно устраивают трапецеидальной формы (рис. 37а).

Рис. 37. Поперечный профиль каналов:

а- трапецеидальный: 1 - берма; 2 - бровка; 3 - кавальер; б - параболический; в - сложный

В большинстве случаев трапецеидальными устраивают и каналы проводящей сети. Однако на участках, где необходимо строительство глубоких каналов с большой выемкой грунта, целесообразно создавать каналы близкие к параболическому сечению. Параметры параболы принимаются в зависимости от характера грунта и глубины воды в каналах согласно «Руководству по осушению лесных земель» [29].

Для нагорных каналов проектируют сложные откосы, принимая нижнюю их часть по углу естественного откоса грунта, а верхнюю Делая более пологою (рис. 37, б).

Откосы являются наиболее важным элементом поперечного профиля каналов. Крутизну откосов выражают через коэффициент, который вычисляют по формуле из отношения

 (90)

где m - коэффициент откоса; l - заложение откоса; Т - глубина канала (рис. 37, а).

Коэффициент откоса определяют по углу естественного откоса грунта, который зависит от связности частиц грунта и их влажности. Устойчивость откоса уменьшается с увеличением глубины канала, поэтому чем глубже каналы, тем более пологими устраивают откосы и большими принимают коэффициенты откосов. На осушение болот влияет также и степень разложения торфа. По степени разложения торф подразделяется (в скобках указывается величина степени разложения) на слаборазложившийся (до 25 %), среднеразложившийся (25-45 %), сильноразложившийся (более 45 %). В зависимости от степени разложения торфа принимаются коэффициенты откоса (табл. 25).

Таблица 25 - Коэффициент откоса

Почвогрунт	Осушители	Проводящие и оградительные каналы, м		Водоприемники
		0,8-1,5	более 1,5
Глина (фракции размером 0,005 мм, 33%)	0,75-1,00	1,00-1,25	1,25	1,25-1,5
Суглинок: легкий	1.25-1.50	1.50	1.50-1.75	1.75-2.00
средний	1.00-1.25	1.25	1.25-1.50	1.75-2.00
тяжелый	1.00	1.00-1.25	1.25-1.50	1.50-1.75
Супесь	1.50	1,50	1.50-1.75	1.75-2.00
Плывун	2.00	2.00-2.50	2.25-3.00	2.75-3.00
Песок:
среднезернистый (фракции размером 0,25 мм, менее 80%)	1,50	1,50-1,75	1,75-2,00	2,00-2,50
крупнозернистый	1.25-1.50	1.50-1.75	1.50-2.00	2.00-2.25
Торф осоковый: слаборазложившийся	0.50	0.50-0.75	0.75-1.00	1.00-1.25
хорошо разложившийся	0.75	0,75-1,00	1,00-1,25	1.25-1.50
Торф сфагновый:
слаборазложившийся	0.50	0.50-0.75	0.75-1.00	1.00-1.25
хорошо разложившийся	0,75	0.75-1.00	1.00-1.25	1.25-1.50
Торф древесный: слаборазложившийся	1,00	1.00	1.00-1.25	1.25-1.50
хорошо разложившийся	1.00-1.25	1.25-1.50	1.50-1.75	1.50-1,75

Примечание. При строительстве каналов в мелкозернистом песке и плывунах необходимо проводить крепление нижней части откоса.

Из приведенных в таблице коэффициентов наибольшие значения принимаются при большей глубине каналов. В слоистых грунтах для проводящих каналов можно проектировать каналы со сложным профилем, характеризующимся двумя коэффициентами, где коэффициент каждого слоя принимается соответственно его грунту (рис. 36, б, в). Для регулирующей сети в слоистых грунтах коэффициент принимается по нижнему слою грунта, если мощность его составляет не менее половины глубины канала. При заглублении дна канала в песок более чем на 0,25-0,30 м коэффициент откоса следует принимать по песку.

Коэффициенты откосов каналов принимают обычно кратными 1/4 (0,25): (0,5; 0,75; 1,0; 1,25; 1,5; 1,75; 2,0 и т.д.). Отсюда и названия откосов: четвертной, половинный, трехчетвертной, одинарный, пятичетвертной, полуторный, семичетвертной, двойной и т.д.

Используя нижеприведенную формулу (90), легко вычислить коэффициент откоса существующих каналов. Для этого следует измерить глубину Г, ширину по верху В и ширину по дну b (рис. 37, а):

 (90)