Как узнать объем пруда. Динамические явления в озерах

Полный объем воды в пруду состоит из полезного объема, мертвого объема, объема на потери воды и резервный объем.

Полезный объем

Полезный объем пруда (V полезн) включает количество воды, которое идет на удовлетворение нужд водоснабжения населенного пункта (V 6ыт), орошение питомников (V орош), для противопожарных целей (V пож) и называется полезной водоотдачей пруда.

V полезн = V орош +V пож +V быт, м 3 (6)

V орош =43000 м 3

В данной работе на пожаротушение и расчет не ведется.

V полезн = V орош +V быт, м 3 (7)

V полезн =43000 м 3

Мертвый объем

Величину мертвого объема пруда определяют:

по количеству наносов, поступающих в пруд с водосборной площади; по санитарным нормам в целях уменьшения прогревания воды в летнее время и снижения процессов разложения и гниения растительных и животных остатков в пруду постоянно должно быть не менее 0,5-1,0 м воды;

по минимальной толщине слоя воды в пруду при рыборазведении (при разведении зеркального карпа и линя слой воды в пруду должен быть не менее 0,5м); так как дно пруда наклонно, то толщина мертвого слоя в наиболее глубоком месте у плотины должна быть 2-3,5м;

3) по глубине промерзания воды (0,5-1,5 м) - дно пруда не должно промерзать, так как в нем образуются трещины, вызывающие утечку воды из пруда.

При предварительном расчете мертвый объем (V MO) принимается равным 15% от полезного объема.

V мо = 0,15·V полезн = 0,15·43000 = 6450м 3 .

Рассчитанная величина мертвого объема отложенная на топографической характеристике по кривой объемов и определённая глубина воды, соответствующая предварительно рассчитанному мертвому объему, составляет менее 1,5м (глубина мертвого уровня устанавливается с учетом санитарных требований и целей проектирования пруда), поэтому устанавливаем горизонт мёртвого объёма на уровне 1,5м. На топографической характеристике указывается уточненная отметка горизонта мертвого объема (ГМО) и определяется величина мертвого объема.

V мо =70000м 3 .

Сумма мертвого и полезного объемов составит промежуточную величину - расчетный объем

V расч = V полезн + V мо, м 3 (8)

V расч =43000+70000=113000м 3 .

Расчетный объем откладывают на топографической характеристике и определяют по батиграфической кривой площадь зеркала воды на горизонте мертвого объема и уровне расчетного объема для дальнейших расчетов.

S гмо = 108000м 2 ;

S расч = 148000м 2 .

Объемы потерь

Потери воды из пруда определяют для того, чтобы установить, сколько воды можно взять из него для полезного потребления. Вода, накопленная в пруду, не может быть полностью использована для полезных целей, так как часть ее теряется, поэтому при определении объема потерь учитываются потери на испарение, фильтрацию, заиление и льдообразование.

V потерь =V исп +V ф +V з +V льд. (9)

Потери воды на испарение (V исп) с водной поверхности (испаряемость) зависят от температуры воды и воздуха, влажности воздуха и скорости ветра. Слой потерь на испарение можно определить по специальным картам (Зайкова, Полякова) или по формуле

П исп – слой воды на испарение определяется по карте изолиний испарения (Б.Д.Зайкова) или принимается для лесостепной зоны ­­–0,6м, для лесной зоны -0,4-0,5.

Так как Республика Татарстан располагается на двух зонах, возьмем среднеарифметическое 0,5.

S гмо – площадь зеркала воды на горизонте мёртвого объёма, м 2 ;

S расч – площадь зеркала воды на горизонте расчётного объёма, м 2 .

Потери на фильтрацию (V ф ) рассчитывают по формуле (10), подставляя вместо слоя воды на испарение (П исп) величину слоя воды на фильтрацию (П ф). Фильтрация воды из пруда происходит через тело плотины, в обход нее, под плотиной, через ложе пруда и величина ее зависит от водопроницаемости и механического состава грунта, формы берегов. По рекомендациям проф. М.В.Потапова приближенно слой фильтрационных потерь в год можно принимать по таблице (табл. 2).

Таблица 2

Потери воды на фильтрацию из прудов

Потери воды за счет заиления (V з ) зависят от состояния водосбора, степени его распаханности и облесенности. При распаханном водосборе заиление может достигать 20-22 см в год. С целью уменьшения твердого стока и заиления прудов целесообразно оставлять нераспаханную 20-30 м полосу вокруг пруда и проводить облесение берегов балки. Потери на заиление также рассчитывают по формуле:

(12) П з =0,2м

Потери на льдообразование не включаем в расчет, так как вода из пруда используется только для орошения.

Объемы потерь суммируем по формуле (9)

V потерь = 37000+111000+14800=162800м 3

Общий полезный объем пруда складывается из мертвого и полезного объемов и объема потерь.

V нпг = V мо + V полезн + V потерь =43000+70000+162800= 275800м 3

Найденный объем откладывается на топографической характеристике, уровень воды называют нормальным подпорным горизонтом (НПГ). Это высший подпорный уровень, который плотина может поддерживать в течение длительного времени при нормальной эксплуатации всех сооружений.

По графику определяют площадь зеркала воды на этом горизонте.

S нпг = 270000 м 2

Резервный (форсировочный) объем

В результате весеннего снеготаяния, выпадающих длительных ливней с водосборной площади в пруд может поступать большое количество воды. В этом случае объем притока будет превышать расход воды, и вода в пруду может подниматься над НПГ. Объем форсировки (резервный объем) располагающийся выше НПГ служит для сохранения паводковых вод, пропускаемых через водосбросные сооружения. Наивысший горизонт при пропуске наибольшего весеннего паводка называют максимальным подпорным горизонтом высоких вод (ГВВ).

Увеличение отметки ГВВ над НПГ повышает высоту, а, следовательно, стоимость сооружения плотины. Однако при этом снижается стоимость водосбросного сооружения (за счет уменьшения его размеров, рассчитываемых на меньший расход). Уменьшение сбросного расхода объясняется регулирующим влиянием пруда, так в пруду между НПГ и ГВВ временно задерживается часть объема паводка. Так как объём пруда 275800 м 3 возьмём на форсировку 1,5м.

По батиграфическим кривым определяют площадь и объем пруда на ГВВ.

S гвв = 490000м 2

Практическая работа 1

Определение морфометрических характеристик озера

ЗАДАНИЕ:

Определить морфометрические характеристики озера (схема озера и необходимые для расчетов данные выдаются преподавателем каждому студенту в индивидуальном порядке)

Порядок выполнения работы. Важной характеристикой озера является его геогра­фическое положение (широта, долгота) и высота над уровнем моря.

Эти данные уже позволяют составить общее представление об основных чертах режима озера. Географическое положение озера в определенной мере отражает общие климатические особенности района, а высотное положение определяет также местные влияния климатических и других факторов на процессы, происходящие в озере.

При изучении озер и озерных котловин важно установить не только условия их образования, но и определить ряд числовых ха­рактеристик, дающих количественные представления об основных элементах озера и озерной котловины. Эти характеристики но­сят название морфометрических .

Площадь озера ω, м 2 , вычисляется двояко: либо вместе с площадью островов, либо отдельно площадь водной поверхности. Так как бе­рега озер не отвесны, площадь водной поверхности (зеркала озера) изменяется при изменении уровня озера.

Длина озера - L, м - кратчайшее расстояние между двумя наиболее удаленными точками, расположенными на берегах озера, измеряе­мое по поверхности озера.

Таким образом, эта линия будет прямой лишь в случае сравнительно простых очертаний озера; для изви­листого озера эта линия, очевидно, может быть и не прямой, а со­стоять из отдельных отрезков прямых и кривых линий.

Ширина озера – различают:

Наибольшую ширину - В, м , определяе­мую как наибольший поперечник (перпендикуляр) к линии длины озера,

Среднюю ширину – В ср ,м , представляющую отношение площадиω озера к его длинеL

Коэффициент извилистости т - степень развития береговой линии - отношение длины береговой линииs к длине окружности круга, имеющего площадь, равную площади озера,

Коэффициент извилистости береговой линии может также быть выражен отношением длины береговой линии S к периметру ломаной линииS " , обводящей контур озера:

В этом случае получается более правильное представление об изрезанности береговой линии.

Широкое применение при оценке водных запасов озера имеет кривая изменения площади озера с глубиной , представляющая со­бой график связи площадей горизонтальных сечений озера и соот­ветствующих им глубин, икривая изменения объема озера в зави­симости от его глубины.

На Рис. 1 представлены кривые изменения площади и объема Онежского озера с глубиной. Такие кривые дают воз­можность определить площадь зеркала озера и объема воды для любого уровня. Эти величины необходимо знать при всех расчетах.

Рис. 1. Кривые площадей и объемов озера

Объем воды в озере W , м 3 может быть определен по карте изобат, пользуясь «методом призм». Изобатные поверхности делят объем озера на ряд слоев, каждый из которых можно рассматривать приближенно как призму, основаниями которой будут площади, ограниченные смежными изобатами, а высота равна сечению между ними. Обозначив площади, ограниченные отдельными изобатами, черезω 0 , ω 1 , ω 2 , ω 3 … ω n , а сечение их через h , объем воды в озере определим по формуле

W =
+
+
+…+
+∆ W =

=
∆ W ,

где ∆ W – объем, заключенный между площадью последней самой глубокой изобаты и точкой дна озера с максимальной глубиной, определяемый по формуле:

∆W =
,

где h мак с – максимальная глубина озера в метрах;h n – глубина, соответствующая наибольшей изобате,ω n – площадь последней (самой глубокой) изобаты.

Максимальная глубина озера – h макс , м.

С
редняя глубина озера - h ср , м - отношение объема воды в озере к площади его зеркала.

Средний уклон дна между изобатами определяется по формуле:

где l 1 , l 2 – длины изобат, между которыми определяется уклон;h – сечение изобат,ω – площадь кольца между изобатами.

Средний уклон озера I определяется по формуле:

где n – число изобат.

Знание элементов, характеризующих форму озерной котловины, необходимо не только для того, чтобы понять основные законо­мерности режима озера, но и для решения ряда хозяйственных задач, связанных непосредственно с эксплуатацией озера. Напри­мер, при использовании озера в транспортных целях необходимо знать распределение глубин в пределах всей акватории и, в частности, в зоне бере­говой отмели. При регули­ровании стока вытекающих из озера рек необходимо иметь кривые зависимости объема воды и площадей озера от высоты стояния уровня. Для расчета элемен­тов волн важно знать рас­пределение глубин и ширин озера по различным направлениям и т. д.

Водохозяйственными расчетами устанавливают общую потребность рыбоводного хозяйства в воде и определяют возможность обеспечения этой потребности принятым источником водоснабжения.
Основой водохозяйственных расчетов служат данные инженерных изысканий, а также нормативные данные по срокам наполнения и сброса прудов, времени их эксплуатации.
Расчет потребности воды производят в следующем порядке. Определяют объемы воды, необходимые для наполнения прудов всех категорий; расходы воды, необходимые для водообмена в зимовальных прудах и живорыбных садках для длительного содержания товарной рыбы; потери воды на испарение с поверхности прудов и транспирацию, фильтрационные потери воды.
Объемы воды на заполнение прудов определяют расчетами и приводят в ведомости основных показателей проектируемых прудов:

Если данные по объему воды в проектной документации отсутствуют, то его находят по формуле

где W - объем, м3; F1 - площадь ложа пруда, ограниченного дамбами, м2; F2 - площадь водного зеркала при НПУ, м2; h - глубина пруда.
Расходы для водообмена в живорыбных садках определяют, исходя из нормы содержания кислорода (не менее 3 мл/л на вытоке), а в зимовальных прудах принимают из расчета полной смены воды в течение 12- 20 сут.
Исходные данные для водохозяйственного расчета - определение потерь воды на фильтрацию и испарение - приводятся в табл. 15 и 16.

Заключительным этапом водохозяйственных расчетов является составление календарного графика водопотребления, совмещаемого с гидрографом источника водоснабжения и сводного водохозяйственного баланса (табл. 17).

Расчет. Требуется определить количество воды и составить график водообеспечения для прудового хозяйства, расположенного в Горьковской области. Хозяйство имеет следующие площади прудов; га: нагульных - 177,5; выростных - 24,0; нерестовых - 1,1; зимовальных - 2,2; летнематочных - 2,0.
Среднегодовой расход воды водоисточника составляет 564 л/с. Зимний расход воды 84,6 л/с, летний - 282 л/с и весенний - 4512 л/с.
При расчетах необходимо знать время работы отдельных категорий прудов. Для рыбоводных хозяйств, расположенных в Горьковской области, примерные сроки наполнения и спуска прудов приводятся в табл. 18. Здесь также даны нормативы по времени наполнения и опорожнения прудов.

Для летних прудов схема расчета будет следующей. Сначала определяется потребность в воде, необходимой для заполнения прудов. Затем вычисляется количество воды, необходимое для восполнения потерь на фильтрацию (см. табл. 15), испарение (см. табл. 16), проточность. При этом учитывается время работы каждой категории прудов.
Определение расхода воды на наполнение прудов производится но формуле Q = W/t, где Q - расход воды на наполнение прудов данной категории, л/с; W - объем воды, л; t - время наполнения прудов, сут.
Развернутый вид формулы таков:

где S - площадь прудов; hср - средняя глубина; 86400 - количество секунд в сутках.

Потери воды на испарение и фильтрацию составит: нерестовые - 1,1 5 = 5,5 л/с; выростные - 24 1 = 24 л/с; маточные - 2 1 = 2 л/с; нагульные - 177,5 1 = 177,5 л/с.
На основании полученных данных составляют совмещенный график водопотребления прудов и гидрограф реки (рис. 50). Сравнивая приходную и суммарную расходную часть водного баланса по месяцам, можно сделать вывод, что пруды будут полностью обеспечены водой.

Сезонное регулирование стока обусловлено неравномерностью внутригодового распределения стока, ежегодно повторяющимися периодами чередования повышенных и пониженных расходов, несовпадением режимов стока и водопотребления.

Сезонное регулирование поверхностного стока - процесс перераспределения поверхностного стока по сезонам в пределах одного года. При сезонном регулировании пруд наполняется в многоводные периоды времени (весеннее половодье, летние паводки), а затем накопленный объем воды расходуется в маловодные периоды года (летняя межень), покрывая дефициты отдачи.

Определение полезного объема пруда

Полезный объем пруда - объем воды, который может быть использован для водоснабжения различных потребителей. Полезный объем пруда равен суммарному водопотреблению, размер которого зависит от состава и количества водопотребителей.

При эксплуатации пруда водопотребление будет возрастать, поэтому необходимо учесть дополнительный полезный объем воды на перспективу. Он принимается в размере 20% от установленного полезного объема.

Таким образом, полезный объем пруда W полез, м 3 , будет равен:

W полез = 1,2 Ч (W бр + W в/потр + W пож/т), (11)

где W бр - объем воды брутто для орошения, м 3 (формула 5);

W в/потр - объем воды для хозяйственного и производственного водопотребления, м 3 (таблица 3);

W пож/т - объем воды для пожаротушения, м 3 (формула 7).

W полез = 1,2 Ч (145000 + 62520,85 + 26280) = 280561,02 м 3

Определение мертвого объема пруда

Мертвый объем пруда - объем воды, предназначенный для размещения наносов, поступающих в чашу пруда в течение принятого срока его службы. Период времени, в течение которого полностью заиляется мертвый объем, называется сроком службы пруда. В зависимости от местных условий и хозяйственных требований срок заиления мертвого объема принимают в пределах от 30 до 50 лет (принимаем 45 лет).

Среднее годовое количество наносов W нан, м 3 , поступающее с площади водосбора в чашу пруда, определяем по отношению:

W нан = , (12)

где - средняя мутность воды рек, г/м 3 (принимаем 300 г/м 3);

Переходный коэффициент от мутности постоянных к мутности временных водотоков. При площади водосбора 5-10 км 2 значение переходного коэффициента = 15-10; при площади водосбора 10-30 км 2 - =10-7;

Средний многолетний объем годового стока, м 3 (формула 13);

r - доля влекомых по дну наносов, от объема взвешенных. Долю влекомых по дну наносов принимают в пределах 0,02-0,06;

Средняя концентрация отложений наносов, т/м 3 . Среднюю концентрацию отложений наносов принимают 0,8 т/м 3 .

W нан = = 1071 м 3

Средний многолетний объем годового стока, м 3 , рассчитываем по формуле:

W ст = 1000 Ч h сл.ст. Ч S в/с Ч k ум, (13)

где h сл.ст. - средняя высота слоя весеннего стока, мм (принимаем 32 мм);

S в/с - площадь водосбора балки, км 2 ;

k ум - коэффициент уменьшения стока с малых водосборов. Принимают в пределах 0,8-0,9.

W ст = 1000 Ч 32 Ч 10 Ч 0,85 = 272000 м 3

Величину мертвого объема W м, м 3 , которая равна объему отложившихся наносов за срок службы пруда, вычисляют по формуле:

W м = k зад Ч W нан Ч t 3 , (14)

где k зад - коэффициент, учитывающий величину задержанных в пруду наносов. От 60 до 80% поступивших в пруд наносов откладывается на дне. Остальные 20-40% выносятся из него со сбросной и оросительной водой. Поэтому k зад принимают равным 0,6-0,8;

t 3 - период заиления мертвого объема или срок службы пруда (t 3 = 30-50 лет).

W м = 0,7 Ч 1071 Ч 45 = 33736,5 м 3

Уровень воды в пруду, соответствующий мертвому объему пруда, называется уровнем мертвого объема (УМО).

По батиграфическим кривым пруда (рисунок 1) определяем глубину воды у плотины (Н умо), отметку уровня воды (vУМО) и площадь водного зеркала (S умо), соответствующие мертвому объему пруда.

Согласно графику,

Н умо = 3,3 м;

vУМО = 78,9 м;

Изменение объема воды в озерах и, следовательно, ее уровня определяется притоком и оттоком. Поступление воды происходит за счет осадков, выпадающих на поверхность, и стекания их с водосбора озера, а также за счет подземных источников. Отток воды связан с испарением с поверхности озера, фильтрацией через дно и стоком через вытекающую реку. Если поступление воды превышает отток, то объем озера увеличивается, а уровень его повышается. Когда же потери воды больше притока, то озеро мелеет. В районах, где много , воды в озера поступает больше, чем теряется при испарении и фильтрации. Поэтому они дают начало рекам, по которым сбрасывается избыток воды. Такие озера называют проточными. В засушливых районах (с сильным испарением) воды для образования реки недостаточно, поэтому озера там не имеют или он может быть временным. Такие озера называют бессточными, а если они пересыхают в отсутствие притока воды - эфемерными. Подобные озера характерны для Северного , где некоторые виды рыб (карась, линь) зарываются в донный ил на глубину до 1,5 м при пересыхании водоема. В пересохшем озере рыба в состоянии спячки может находиться 2 - 3 года, пока после многоснежной зимы или дождливой весны снова не возникнет озеро. В результате в озере все время обновляется. Время обновления зависит от объема и интенсивности обмена воды. Небольшие проточные озера могут обновляться за несколько недель, а, например, период обновления вод - 380 лет. Если реки - это в основном системы, переносящие растворимые вещества и наносы, то озера служат накопителями веществ, приносимых с водой, причем количество растворенного вещества сильно меняется в зависимости от проточности. Озера делятся на пресные (всегда проточные озера), солоноватые (обычно на какое-то время они становятся проточными) с содержанием солей от 1 до 25 г/л и с содержанием солей более 25 г/л (как правило, бессточные озера). Минеральные озера распространены в основном в засушливых регионах мира, но больше всего их . В некоторых минеральных озерах содержание солей может достигать 300 - 350 г/л. Это насыщенный раствор, в котором происходит кристаллизация солей и выпадение их в осадки. Их называют соляными. Здесь ведется добыча соли. В сухой сезон такое озеро может пересохнуть и превратиться в солончак. В России, в Астраханской области, есть озеро Баскунчак площадью 104 км которое питается солеными ключами . В нем осаждается поваренная соль, которую добывают из озера уже многие годы.

Благодаря , изменению плотности воды, а также воздействию впадающих и вытекающих вода в озерах все время находится в движении. В некоторых озерах она перемешивается до дна, а в других - только в верхних слоях. Тогда в нижнем, неперемешиваемом, слое температура постоянная и большая концентрация растворенных веществ, чем в верхнем слое. Иногда в такой зоне застоя в связи с отсутствием кислорода и разложением органических веществ скапливается сероводород. Такое явление наблюдается на озере Гекгель в и Беловодь во Владимирской области в России.

Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства