книги из ГПНТБ / Писарьков, Х. А. Осушение лесных земель учебное пособие для студентов лесохозяйственного факультета (специальность 1512)
.pdf
Министерство высшего и среднего специального образования РСФСР
ЛЕНИНГРАДСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ имени С. М. КИРОВА
X. А. ПИСАРЬКОВ, Б. В. БАБИКОВ
Гидротехнические мелиорации лесных земель
ОСУШЕНИЕ ЛЕСНЫХ ЗЕМЕЛЬ
Учебное пособие для студентов лесохозяйственного факультета
(специальность 1512)
ЛЕНИНГРАД
1974
|
на: - ny c |
^ z |
~~~~■ |
AU |
ЧИ ТА ■/-.■■-r.rri |
|
|
/•s 1 |
: |
■ i |
Рассмотрено и рекомендовано к печати ме тодической комиссией лесохозяйственного факуль тета Ленинградской ордена Ленина лесотехни ческой академии имени С. М. Кирова 2 июля
1973 года.
Авторы:
доктор технических наук, профессор X. А. Писарьков, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Б. В. Бабиков
О т в. р е д а к т о р кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Н. И. Рубцов
Р е ц е н з е н т ы :
кандидат сельскохозяйственных наук, ассистент С. Д. Цветкова (ЛТА)> кандидат сельскохозяйственных наук, ст. научный сотрудник В. К. Контантинов (ЛенНИИЛХ)
УДК. 634.0.385.1
Гидротехнические мелиорации лесных земель. Осушение лесных земель- Писарьков X. А., Бабиков Б. В. РИО ЛТА, 1974, с. 172.
В книге рассматриваются некоторые вопросы гид равлики, гидрологии и гидрометрии примени тельно к курсу осушения и орошения лесных зе мель. Приводятся способы осушения земель ивог просы, связанные с проектированием и эксплуа тацией осушительных систем. Пособие предназ начено для студентов лесохозяйственных факуль тетов, а также может быть использовано работ никами лесхозов, проектных организаций и лесо мелиоративных станций.
Таблиц. 32. Иллюстраций 71. Библиография 5 назв.
© РИО ЛТА, 1974 г.
Введение
Гидротехнические мелиорации лесных земель, проводимые' в комплексе с лесоводственными, лесокультурными и други ми лесохозяйственными мероприятиями, являются мощным средством повышения производительности лесных земель.
При помощи осушительных мелиораций коренным образом улучшаются природные условия на длительный период вре мени, улучшается водный, воздушный, а отчасти и питатель ный режимы почв, а потому существенно повышается плодо родие лесных земель. Высокая эффективность осушения из быточно-увлажненных лесных земель доказана более чем ве ковым опытом.
Первые осушительные работы в России проводились в ок рестностях Петербурга в начале XVIII в. главным образом в санитарных целях. Работы по осушению лесных земель были начаты в 30-х годах XIX в. в нескольких лесных дачах Петер бургской губернии. Из них большого внимания заслуживают осушительные работы в Лисинской лесной даче, проводив шиеся в 1834 г. Первый русский проект осушения составил лесовод Войнюков для первого отделения Лисинской лесной дачи (Хейновское болото) в 1846 г. Высокую эффективность осушительных работ, проведенных по этому проекту, можно наблюдать и в настоящее время.
Наибольший объем осушительных работ в России выпол нен с 1873 по 1894 г. Эти работы велись двумя экспедициями по осушению болот: Западной и Северной. Западная экспеди ция под руководством генерала Жилинского работала в По лесье, Владимирской, Рязанской, Московской и Тверской гу берниях. Северная экспедиция под руководством Августино вича проводила осушение в Петербургской, Новгородской, Псковской, Олонецкой и Прибалтийских губерниях. Обе экс педиции вели работы в основном на сельскохозяйственных и лесных землях, принадлежавших казне и помещикам, кресть янские же земли почти не осушались. Общая площадь экстен сивно осушенных земель-в 1917 г. составила 1,2 млн. га. От
сюда видно, что все виды мелиораций в царской России раз вивались очень медленно. В настоящее время площадь осу шенных земель в СССР превышает 10 млн. га.
3
Директивами XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1971—1975 гг. преду смотрено проведение громадного объема работ по мелиора ции на сельскохозяйственных землях, кроме того намечено осушить 1,3 млн. га лесных земель.
Все мелиоративные работы пятилетнего плана успешно выполняются, а к 1980 г. предусматривается ежегодное осу шение лесных земель на площади 450—500 тыс. га.
Настоящее учебное пособие написано для студентов лесохозяйственных факультетов по программе курса гидротехни ческих мелиораций лесных земель.
Глава /,
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГИДРАВЛИКИ, ГИДРОЛОГИИ И ГИДРОМЕТРИИ
§ 1. ГИДРАВЛИКА
Гидравлика изучает законы равновесия и движения жидкостей. На законах гидравлики основаны расчеты кана лов, гидротехнических сооружений, водопроводов и др.
Некоторые физические свойства воды. Вес единицы объ ема воды (объемный вес): см3, л, м3, при 4° С равен соответ
ственно— грамму, килограмму, тонне. Удельный вес льда со ставляет 0,92, т. е. легче воды, поэтому он держится на воде, предохраняя ее нижележащие слои от замерзания. Для пере вода 1 кг льда в жидкое состояние требуется 80 больших ка
лорий. При плавлении льда происходит сжатие, при замерза нии воды объем ее увеличивается. Практически вода несжи маема.
Давление воды на плоские стенки. Покоящаяся вода ока зывает давление на дно и стенки сооружений. Это давление всегда направлено нормально к отдельным площадкам и на зывается гидростатическим. Полное гидростатическое давле ние в любой точке покоящейся жидкости равно весу столба воды над данной площадкой плюс давление на свободную по верхность воды (обычно атмосферное давление, равное в среднем 1 кг/см2 или столбу воды высотой 10 ж).
Следовательно, давление воды на плоское горизонтальное дно без учета атмосферного давления равно
Р = Ш у, |
(1) |
где Р — давление на дно; |
|
W — площадь дна; |
(глубина |
h — расстояние от поверхности воды до дна |
|
воды); |
|
у — объемный вес воды. |
|
Давление воды на плоскую стенку определяется также по формуле (1), в которой h равно расстоянию от поверхности
воды до центра тяжести стенки. Графически давление воды на боковую вертикальную стенку изображается прямоуголь ным треугольником давления (рис. 1). На площадку у самого дна сосуда давит слой воды высотой h, на площадку глуби ной h\ давит столб воды высотой hi и т. д. Откладывая высо ты h, hi и h2 и др. в вертикальном и горизонтальном направ
лениях, получаем треугольник (эпюру) давления. Площадь треугольника, умноженная на вес единицы объема у, и даст
величину давления на единицу ширины стенки:
|
|
ДP = -y-Tf. |
|
|
|
(2) |
|||
Давление на всю стенку шириной b равно |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
Р = Ь ^ т. |
|
|
(3) |
|
|
|
|
Если |
вода |
находится |
по |
обе |
||
|
|
стороны стенки, но с разными го |
|||||||
|
|
ризонтами, то давление на стенку |
|||||||
|
|
составит: |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Р = |
|
|
|
(4) |
Рис. 1. |
Давление воды на |
ПРИ Расчетах удобно h |
и Ь |
||||||
дно и стенки |
выражать в метрах, |
w — в ква |
|||||||
граммах, |
объемный |
дратных |
метрах, а |
Р — в кило |
|||||
вес воды у |
равен 1000 кг/м3. |
высотой |
|||||||
Гидростатическое |
давление |
можно измерять |
|||||||
столба воды, как это |
видно |
из |
формулы |
(1). |
Давление в |
||||
1 кг/см2 и т/м2 отвечает высоте давления соответственно |
10 м |
||||||||
(давление атмосферы) и 1,0 м. Следовательно, высота всасы вания воды насосами не может быть больше 10 м, а практи чески не более 7 м.
П р и м ер . Перед щитом шлюза в канале глубина воды равна 2 м, а за щитом 0,5 м. Ширина щита 0,8 м. Определить
давление на щит.
Давление на щит Р определится по формуле (4)
Я = 0,8 X 22 ~20-’52- X 1000 = 1500 кг.
Избыточное давление на глубине h = 2 м по формуле (1) бу
дет равно Р = у /1=.-^щ ^=0,2 кг/см2= 2 м водяного столба = = 0,2 атм.
Виды движения воды. Различают два режима движения воды: ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме вода движется параллельными струйками, без взаимного пе ремешивания, что имеет место при очень малых скоростях движения. При турбулентном режиме происходит перемеши вание частиц воды, которые, кроме продольного движения, имеют еще разнообразное движение в поперечном направле нии. В открытых руслах и трубах наблюдается главным об разом турбулентный-режим давления,'при движении почвен-
6
но-грунтовых вод — ламинарный режим. Поэтому расчетные формулы для этих режимов движения воды разные.
Элементы потока и расход воды. Движение воды в руслах рек и каналах характеризуется средней скоростью и расходом воды, для определения которых необходимо знать элементы поперечного сечения: площадь живого сечения, смоченный пе риметр и гидравлический радиус.
1. Живым сечением © называется площадь поперечного се чения потока, нормальная к направлению движения воды
(рис. 2).
2. Смоченным периметром % называется линия соприкос:
новения воды со стенками и дном потока на его поперечном разрезе (рис. 2, утолщенная линия).
Рис. 2. Живое сечение и смоченный пе риметр водотока
3. Гидравлическим радиусом R называется отношение
площади живого сечения со к смоченному периметру %:
я- т - <5>
Объем воды Q, протекающей в единицу времени через данное живое сечение потока, называется расходом и опреде ляется по формуле
Q = |
(6) |
где Q — расход воды, м?/сек\
©— площадь живого сечения, м2;
v— средняя скорость течения воды, м/сек.
Различают движение равномерное и неравномерное, уста новившееся и неустановившееся. Равномерным движением на зывается такое, при котором средняя скорость течения и жи вое сечения не изменяются по длине потока. При этом движе нии уклон поверхности воды и уклон дна водотока равны между собой. При неравномерном движении сечение и ско рость течения изменяются по длине водотока.
7
При установившемся движении скорость и расход воды в данном сечении потока не изменяются во времени. Это дви жение может быть равномерным и неравномерным. При неустановившемся движении скорость и расход воды изменя ются во времени (при таянии снега, ливнях и т. д.).
Равномерное движение воды в открытых руслах. Основное уравнение равномерного движения имеет вид
|
|
- у = т , |
(7) |
||
где |
х — сопротивление течению |
воды, отнесенное к единице |
|||
|
площади поверхности дна |
и берегов, смачиваемых |
|||
|
водой; |
|
|
|
|
|
у — вес единицы объема воды; |
|
|||
|
R — гидравлический радиус; |
|
|||
|
i — гидравлический уклон, |
|
равный пьезометрическому. |
||
|
Шези принял: |
|
|
|
|
|
|
- у «= bv2, |
(8) |
||
где |
V— средняя скорость течения; |
русла; зависит от ше |
|||
|
Ъ— коэффициент сопротивления |
||||
роховатости, размеров и формы живого сечения. |
|||||
|
Вместо формул (7) и (8) можем написать |
||||
|
|
i |
|
bv2 |
(9) |
|
|
1 Г |
|||
|
|
|
|
||
|
Следовательно, |
|
|
|
|
|
|
v = |
|
|
(Ю> |
|
Обозначим |
= С, тогда |
|
||
|
|
v ^ C V R i - |
( 11} |
||
Это и есть формула Шези, которая широко применяется при различных гидравлических расчетах. В этой формуле:
v — средняя скорость потока; R — гидравлический радиус;
L— уклон поверхности воды или дна водотока; С — скоростной коэффициент Шези.
Для определения скоростного коэффициента применяются формулы академика Н. Н. Павловского и проф. И. И. Агроскина
1. Формула Н. Н. Павловского: |
|
С = 4-/?*, . |
(12) |
8
где п — коэффициент шероховатости русла, величина кото
рого зависит от его состояния (табл. 1); R — гидравлический радиус русла;
у — переменный показатель степени, зависящий от п и R-,
определяется по формуле
у = 2,5 / Т — 0,13 — 0,75 i/~R(У п-- 0,10). |
(13) |
2. Формула И. И. Агроскина:
C = 4 -+ 1 7 ,7 2 1 g tf. |
(14) |
Расход воды при равномерном движении равен
Q = cou= <bC у Ri.
Таблица 1
Коэффициенты шероховатости
|
Характеристика русла |
|
п |
|
Каналы с толстым илистым слоем |
|
0,018 |
||
Каналы |
в плотном грунте, частично |
затянутые илистой |
||
пленкой |
|
|
|
0,022 |
Земляные каналы в средних условиях и булыжная мо |
||||
стовая |
|
|
|
0,025 |
Земляные каналы в условиях ниже |
средних |
0,028 |
||
Земляные каналы в сравнительно |
плохих условиях (водо |
|||
росли, булыжник и гравий по дну), заросшие травой, с об |
||||
валами откосов и река в благоприятныхусловиях течения |
0,030 |
|||
Каналы в весьма плохих условиях |
|
0,035 |
||
Реки и |
поймы очень заросшие с |
глубокими промоинами |
0,080 |
|
и слабым течением |
' |
|
||
Строганые и нестроганые доски |
|
|
0,010—0,012 |
|
Гончарные и керамиковые трубы |
|
|
0,012 |
|
Асбоцементные трубы |
|
' |
0,011 |
|
Деревянные и дощатые трубы |
|
|
0,015 |
|
Из формулы Шези видно, что скорость движения воды в водотоках зависит не только от уклона дна, но в такой же степени и от гидравлического радиуса R. Чем больше водо ток, тем больше R и больше скорости, поэтому на больших ре
ках и при малых их уклонах скорости больше. На,неглубо ких, но широких водотоках гидравлический радиус приблизи тельно равен глубине воды, а смоченный периметр ширине по тока. Например, при движении воды по поверхности R мож
но принимать равным толщине слоя стекающей, воды. Чем больше этот слой, тем больше скорость движения воды по по верхности.
9