Воскресенье, 04.12.2016, 00:46
Высшее образование
Приветствую Вас Гость | RSS
Поиск по сайту


Главная » Статьи » Техника. Технические науки

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОДНОГО ПОТОКА НА СКЛОНОВОМ АГРОЛАНДШАФТЕ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОДНОГО ПОТОКА НА СКЛОНОВОМ АГРОЛАНДШАФТЕ

С.А.Васильев
Чувашская государственная сельскохозяйственная академия, г. Чебоксары

Для изучения вопроса о движении водного потока по подстилающей поверхности предлагается использовать энергетический подход. При рассмотрении движения водного потока на склоне, разработана математическая модель в виде баланса действительного уклона и суммы уклонов гидравлических потерь при движении водного потока по стокоформирующей поверхности. Для решения полученного выражения предложена гидродинамическая характеристика водного потока на склоновом агроландшафте - зависимость изменения уклонов гидравлических потерь на стокоформирующей поверхности от скорости движения водного потока. Определен круг задач, которые можно решать с помощью уравнения баланса уклонов водного потока: анализ возможности движения водного потока на тех или иных подстилающих поверхностях, определение и анализ параметров потока при ускорении, торможении или при равномерном его движении и другие. Выражение также можно использовать в решении обратных задач, например определение коэффициента гидравлической шероховатости, потенциала эрозионной стойкости и других параметров стокоформирующей поверхности. Теоретические предпосылки по обоснованию уравнения баланса уклонов подтверждены лабораторными исследованиями. Представлены результаты экспериментальных исследований в виде гидродинамической характеристики водного потока, при проводении анализа которого определено условие баланса уклонов для равномерного режима движения водного потока при скорости равной 0,16 м/с. Применение гидродинамической характеристики позволит решить целый ряд задач по управлению водным потоком на склоновых агроландшафтах при проектировании и оценке противоэрозионных мероприятий.

Ключевые слова: энергетический подход, гидродинамическая характеристика, водный поток, склоновые агроландшафты, уклоны гидравлических потерь, коэффициент гидравлической шероховатости.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 13-05-97048-р_поволжье_а)

 

Введение. При формировании гидрологического режима рек на большей части территории страны определяющую роль играет поверхностный склоновый сток, устанавливающий тесную взаимосвязь склонового агроландшафта и малой реки, особенно в период выпадения атмосферных осадков. Склоновый агроландшафт представляет собой природно-территориальный комплекс, естественная растительность которого на подавляющей его части заменена агроценозами [8]. Изучение механизма взаимодействия водного потока с подстилающей поверхностью склоновых земель, позволит успешно защищать почвы склоновых агроландшафтов от смыва. В нашей стране и за рубежом разработано множество теорий русловых процессов [1, 2], однако не все из них соответствуют реальному процессу. Одним из таких параметров является шероховатость поверхности почвы, которая представляет собой множество микровариаций неровностей, образованных в результате ряда причин, и которая также определяет потенциал для удержания почвенных частиц и может быть использована для прогнозирования водной и ветровой эрозии [4, 7].

Материалы и методы. При рассмотрении движения водного потока на склоне можно выявить основные закономерности, связывающие параметры потока и подстилающей поверхности, обусловленные воздействием на водный поток движущих сил и сил сопротивления движению.

Воздействие этих сил, которые обеспечивают ускорение или торможение водного потока с учетом скорости потока, можно представить в виде мощностного баланса. Мощностной баланс определяется затратами энергии потока на преодоление внешних и внутренних сопротивлений потоку по времени.
Результаты. С некоторым приближением без учета инфильтрации влаги в почву, вследствие продолжительности процесса, запишем уравнение мощностного баланса в общем случае:

Спроецируем уравнение (1) на ось вдоль склона с учетом скалярного произведения векторов сил и скорости потока

Выражение (3) является уравнением мощностного баланса водного потока, движущегося по подстилающей поверхности склона. Распишем каждую составляющую, входящую в это уравнение.
Для сравнения потоков, движущихся по разным подстилающим поверхностям склона и выявления резервов энергии водного потока, которые могут, например ускорить поток или размыть микрорусло, уравнение мощностного баланса водного потока приведем к безразмерной форме, разделив все его составляющие на произведение веса и скорости потока:
  (4)
Соотношение мощности потока и произведения веса на скорость потока можно представить в виде:

Соотношение потерь мощности водного потока на размыв или на разрушение и вынос частиц почвы подстилающей поверхности склона и произведения веса на скорость потока можно представить в виде:

Соотношение потерь мощности водного потока на преодоление силы сопротивления шероховатости подстилающей поверхности склона и произведения веса на скорость потока можно представить в виде:

Соотношение потерь мощности водного потока на преодоление силы сопротивления растительных элементов на поверхности склона и произведения веса на скорость потока можно определить по выражению:

Соотношение потерь мощности водного потока, обусловленное влиянием волнистости подстилающей поверхности склона и произведения веса на скорость потока, можно представить в виде:
(9)
где у - коэффициент гидродинамического сопротивления волнистости поверхность или дискретного препятствия; iY - уклон гидравлических потерь на преодоление волнистости поверхности.
Соотношение составляющей потерь мощности потока, обусловленной влиянием инерции потока и произведения веса на скорость потока можно представить в виде:
(10)
где j - ускорение водного потока, м/с2 ; ij - уклон гидравлических потерь на преодоление инерции потока.
Подставим полученные соотношения (5)...(10) в уравнение (4) получим следующее выражение:
(11)
или в упрощенной безразмерной форме:
(12)
Выражение (12) показывает баланс действительного уклона и суммы уклонов гидравлических потерь при движении водного потока по стокоформирующей поверхности.

Графическое изображение зависимости изменения уклонов гидравлических потерь водного потока от скорости его движения будем называть гидродинамической характеристикой водного потока (рисунок 1).

Обсуждение. С помощью уравнения баланса уклонов водного потока можно решать следующие основные задачи: анализ возможности движения водного потока на тех или иных подстилающих поверхностях, определение и анализ параметров потока при ускорении, торможении или при равномерном его движении и другие. Этот круг
197
задач возможно выполнить, если известны зависимости составляющих баланса уклонов с параметрами потока и подстилающей поверхностью. Также возможно использовать данное выражение в решении обратных задач, например определение коэффициента гидравлической шероховатости, потенциала эрозионной стойкости и других параметров стокоформирующей поверхности.


Рисунок 1 - Гидродинамическая характеристика водного потока

С целью проверки полученного выражения (12) и построения предложенной гидродинамической характеристики водного потока проведены исследования в Лаборатории гидрофизики и эрозии почв при ФГБОУ ВПО ЧГСХА. Была разработана и изготовлена экспериментальная установка [9, 10].

Предварительно исследуемая шероховатая поверхность оклеивалась песком определенной фракции с помощью полимерного клея в лабораторных условиях. Применив ситовый анализ по геометрическим размерам, получены заданные фракции песка из частиц выделенного диапазона крупности [3, 6]. Учитывая наиболее распространенные типы почв, присутствующих в Чувашской Республике, подбирались размеры фракций песка, которые соответствовали бы размерам водопрочных агрегатов [5].

В процессе проведения исследований, согласно методике, определялась высота потока воды до и после протекания исследуемой шероховатой поверхности трения. Полученные зависимости Q = f (h) при i = const и i = f (h) при Q = const позволили установить логарифмическую связь при ламинарном и переходной области турбулентном режимах.

Гидродинамическая характеристика водного потока, полученная по экспериментальным данным для уклона дна лотка i = 0,12, представлена на рисунке 2. Скорости потока воды составили V = 0,2...0,8 м/с (для несвязных грунтов допустимая неразмы- вающая скорость Vdon = 0,2.0,4 м/с [6]), а число Рейнольдса соответственно Re = 300.1500 [2].

Как видно из полученного графика соблюдение условия (12) будет происходить при скорости водного потока, равного 0,16 м/с, т.е. установится равномерный режим движения. После проведения анализа полученной гидродинамической характеристики водного потока (рисунок 2) установлено, что большая часть исследований проводилась в режиме замедления водного потока, поскольку сначала создавались условия с повышенной кинетической составляющей энергией потока, а после преодоления шероховатого участка скорость потока снижалась.
 

Рисунок 2 - Гидродинамическая характеристика водного потока при движении по шероховатой поверхности
Заключение. Предлагается новое понятие «гидродинамическая характеристика водного потока», которое характеризует зависимость изменения уклонов гидравлических потерь водного потока на стокоформирующей поверхности от скорости его движения. Обосновываются, используя энергетический подход, основные гидравлические потери водного потока при взаимодействии со стокоформирующей поверхностью склоновых земель. Применение гидродинамической характеристики позволит решить целый ряд задач по управлению водным потоком на склоновых агроландшафтах при проектировании и оценке противоэрозионных мероприятий.

Библиографический список

1. Боровков, В.С. Русловые процессы и динамика речных потоков на урбанизированных территориях [Текст]/ В.С. Боровков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 285 с.
2. Будник, С.В. Оценка режима склоновых водотоков при ливнях [Текст]/ С.В. Будник // Почвоведение. - 2003. - № 6. - С. 740-744.
3. Васильев, С.А. Безразмерный показатель для оценки гидравлических потерь на трение в руслах разной шероховатости [Текст]/ С.А. Васильев, И.И. Максимов, В.И. Максимов // Мелиорация и водное хозяйство. - 2011. - Выпуск №5. - С. 40-42.
4. Васильев, С.А. Теоретические предпосылки аналитического определения смоченного периметра стокоформирующей поверхности [Текст]/ С.А. Васильев, А.Ю. Пагунов // Вестник Чувашского государственного педагогического университета имени И.Я. Яковлева. Серия «Естественные и технические науки».- 2012. - № 4 (76). - С. 47-50.
5. Васильев, С.А. Результаты экспериментальных исследований гидрофизических и эрозионных свойств почв на территории СХПК «Труд» Батыревского района Чувашской Республики [Текст]/ С.А. Васильев, И.И. Максимов, Е.П. Алексеев [и др.] // Вестник Чувашского государственного педагогического университета имени И.Я. Яковлева. - 2013. - Вып. 4(80), Ч. 2. - С. 39-45.
6. Васильев, С.А. Гидравлическая шероховатость склоновых агроландшафтов [Текст]/ С.А. Васильев, И.И. Максимов, В.И. Максимов // Чебоксары: «Новое Время», 2014. - 210 с. - ISBN 978-5-4246-0257-3.
7. Васильев, С.А. Определение эквивалентной шероховатости стокоформирующей поверхности для оценки противоэрозионных мероприятий на склоновых землях [Текст]/ С.А. Васильев, И.И. Максимов, В.В. Алексеев //Мелиорация и водное хозяйство. - 2014. - Выпуск №4. - С. 31-34.
8. Максимов, И.И. Прогноз эрозионных процессов, техника и технология для обработки склоновых земель [Текст] : дисс. докт. техн. наук./ И.И. Максимов. - Чебоксары, 1996. - 325 с.
9. Способ определения смоченного периметра для русла с шероховатой поверхностью [Текст] : патент 2292034 РФ. / И.И. Максимов, С.А. Васильев, В.И. Максимов. - Опубл. 20.01.2007, Бюл. № 2.
10. Способ определения гидравлических потерь на трение [Текст] : Патент 2292539 РФ. / И.И. Максимов, С.А. Васильев, В.И. Максимов. - Опубл. 27.01.2007, Бюл. № 3.
 

Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование № 4 (40), 2015

Категория: Техника. Технические науки | Добавил: x5443 (12.02.2016)
Просмотров: 161 | Теги: склоновые агроландшафты | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
...




Copyright MyCorp © 2016