WYK006, Wykład 6


VI. Sprawność działania i straty przepływu w sieci doprowadzającej

1. Współczynnik sprawności doprowadzalników

W każdej sieci doprowadzającej występują mniejsze lub większe straty wody na trasie od ujęcia do pola nawadnianego. W otwartych doprowadzalnikach grawitacyjnych straty mogą być poważne, a powstają one wskutek:

Ograniczanie strat jest ważnym zagadnieniem techniczno-ekonomicznym, występującym zarówno w fazie projektowania, jak i w trakcie eksploatacji.

Pomimo stosowania środków zabezpieczających straty w sieci są nieuniknione, a ilości wody pobierane na ujęciu muszą być większe od zapotrzebowania netto.

Wymiary poszczególnych odcinków doprowadzalnika należy projektować na przepływ brutto, który równa się przepływowi potrzebnemu w określonym punkcie sieci, zwiększonemu o pozycję strat występujących na długości danego odcinka.

Sprawność pojedynczego doprowadzalnika, jako elementu sieci (rys. 27), można scharakteryzować w sposób następujący. Oznaczając przez:

Qbr - przepływ brutto na początku doprowadzalnika (m3⋅s-1),

Qn - przepływ netto na końcu doprowadzalnika (m3⋅s-1),

L - odległość między rozpatrywanymi punktami, długość doprowadzalnika (km).

Strata przepływu w m3⋅s-1 na odcinku L kilometrów wynosi:

0x01 graphic

Wyrażając tę stratę w stosunku do przepływu brutto i długości doprowadzalnika otrzymamy współczynnik strat:

0x01 graphic

0x01 graphic

Rys. 27. Schemat obliczania strat w pojedynczym doprowadzalniku

Współczynnik σbr przedstawia więc procentową wielkość strat na jednym kilometrze długości odniesioną do początkowego przepływu w doprowadzalniku. Wartość współczynnika strat zależy od kształtu i wymiarów kanału, wielkości przepływu, przepuszczalności gruntu, rytmu pracy doprowadzalnika, rodzaju uszczelnień itd.

Przy znanej wartości współczynnika strat można obliczać sumaryczne straty w doprowadzalniku o znanej długości L i przepływie Qbr z następującej zależności:

0x01 graphic
[m3⋅s-1]

i przedstawić związek miedzy przepływem końcowym (Qn) i początkowym (Qbr) w postaci:

0x01 graphic

Stosunek przepływu netto do przepływu brutto nazywamy współczynnikiem sprawności doprowadzalnika:

0x01 graphic

Współczynnik sprawności charakteryzuje pracę doprowadzalnika; im bliższy jest on jedności tym mniejsze są straty wody, tym lepsze będzie funkcjonowanie sieci nawadniającej.

Mając dany przepływ netto możemy również obliczyć niezbędny przepływ brutto z następującej zależności:

0x01 graphic

gdzie σn oznacza wartość współczynnika strat odniesioną do znanego przepływu netto Qn, według wzoru:

0x01 graphic

Współczynnik sprawności wyrażony będzie wtedy wzorem:

0x01 graphic

Z przytoczonej metody obliczania strat i współczynnika sprawności według założonego z góry współczynnika σ, korzystamy na ogół tylko w fazie projektu wstępnego, gdy nie znane są jeszcze wszystkie parametry doprowadzalnika. Dokładność tej metody, jak zresztą wszelkich metod wskaźnikowych z obieralnymi współczynnikami, nie jest duża i otrzymujemy w zasadzie tylko przybliżone, orientacyjne wartości. Po zaprojektowaniu ostatecznego kształtu, wymiarów i uszczelnień doprowadzalnika należy wyznaczyć straty i sprawność w sposób ściślejszy, z uwzględnieniem konkretnych warunków jego pracy.

Sprawność sieci nawadniającej jako całości (rys. 28) nie może być tak jednoznacznie określona jak sprawność pojedynczego elementu.

Zazwyczaj na nawadnianym obiekcie jednocześnie pracuje tylko część sieci doprowadzającej, obsługując kolejno poszczególne pola lub zespoły pól. W doprowadzaniu i rozprowadzaniu wody, zależnie od planu nawodnień, bierze więc udział sieć o zmiennej długości i przepływach, wobec czego straty oraz współczynniki sprawności całego systemu mogą być w różnych okresach użytkowania znacznie zróżnicowane.

0x01 graphic

Rys. 28. Schemat obliczania strat w sieci złożonej

l3, l5, l6 - trasy zasilania bezpośredniego, l1, l2, l4 - trasy tranzytowe, qi - przepływy netto w danym węźle, Si - straty na długości li

W fazie projektowania można stosować następujący, przybliżony sposób wyznaczania współczynnika sprawności sieci. Zakładając, że w danych warunkach znany jest współczynnik strat σi% oraz oznaczając przez qi przepływ netto, niezbędny na końcu rozpatrywanego odcinka sieci o długości li można obliczyć stratę si na tym odcinku:

0x01 graphic

Jeśli pracuje jednoczenie kilka doprowadzalników bocznych obsługujących n pól, to łączny przepływ Qbr, który trzeba pobrać na ujęciu, równa się sumie przepływów netto zwiększonej o sumę wszystkich strat występujących zarówno na n trasach zasilania bezpośredniego - odcinki l3, l5, l6 (rys. 28), jak i na m trasach tylko tranzytowych - odcinki l4, l2, l1 (rys. 28) prowadzących wodę do węzłów rozbioru.

0x01 graphic

Uwzględniając wzór na pojedynczą stratę si otrzymamy:

0x01 graphic

Współczynnik sprawności dla danej części sieci wyniesie:

0x01 graphic

Ponieważ sposób i kolejność nawadniania może być różnie realizowana, dlatego współczynnik sprawności całej sieci jest w okresie nawodnień zmienny. Zależy od lokalizacji pól jednocześnie nawadnianych. Współczynnik σi% wzrasta przy mniejszych przepływach, a największe straty i najmniejsze sprawności występują gdy:

Przeciwnie, koncentracja powierzchni pól jednocześnie nawadnianych w zwarte kompleksy zmniejsza straty w sieci doprowadzającej. Projektując doprowadzalniki należy więc uwzględniać warianty eksploatacyjne, wybierając rozwiązania zapewniające minimum strat i dające największe wartości współczynnika sprawności.

Ze względu na dużą zmienność strat, których w fazie projektowania nie można ściśle obliczyć, należy podczas użytkowania obiektu prowadzić stałą kontrolę funkcjonowania sieci, mierząc przepływy w poszczególnych węzłach rozbioru wody.

Przy znanym poborze wody na ujęciu Qbr należy określić sumę strat Σs na doprowadzalnikach oraz sumę dopływu netto Σq dostarczonego na obszar jednocześnie nawadniany.

Rzeczywisty współczynnik sprawności wyrazi się wzorem:

0x01 graphic

Znajomość realnych strat i współczynników sprawności sieci umożliwi podjęcie środków dla oszczędnego gospodarowania wodą. Według Kostiakowa współczynniki sprawności powinny przekraczać wartości 0,70 - 0,75 dla sieci głównej i 0,75 - 0,80 dla doprowadzalników bocznych. W ocenie sprawności sieci nawadniającej należy uwzględnić fakt, że w sieci nowej straty są na ogół większe niż w sieci funkcjonującej dłuższy czas, ponieważ z czasem następuje pewne samouszczelnianie się kanałów.

2. Straty na filtrację

Wielkość strat filtracyjnych w doprowadzalnikach zależy od:

Zjawisko przesiąkania wody z doprowadzalników w głąb gruntu jest bardzo złożone. Ruch wody odbywa się tam przy różnym stopniu nasycenia wodą ośrodka gruntowego. W przypadku głębokiego zalegania wód gruntowych mamy do czynienia z ruchem wody w strefie nienasyconej, gdzie znajomość samego tylko współczynnika filtracji nie wystarcza do ścisłego określenia strat - prędkości wsiąkania są zmienne w czasie i w przestrzeni. Jeżeli zwierciadło wód gruntowych zalega płytko pod dnem doprowadzalnika, sytuacja jest równie trudna - ruch wody odbywa się częściowo w strefie nasycenia (współczynnik filtracji stały), a częściowo w strefie nienasyconej, jest więc ruchem nie ustalonym ze zmienną krzywą dyspersji.

Straty na przesiąki będą na ogół większe przy głębokim położeniu wód gruntowych niż w warunkach ich płytkiego występowania.

Doprowadzalniki pracujące okresowo, np. z kilkugodzinnymi przerwami w ciągu doby mają straty większe niż doprowadzalniki ciągłego działania; prędkości wsiąkania w ośrodku nienasyconym są zawsze większe niż współczynnik filtracji tegoż ośrodka nasyconego.

W małych kanałach prowadzących mniej wody niż 50 l⋅s-1 współczynniki strat są znaczne; w kanałach o dużym przepływie, jakkolwiek wielkość strat rośnie, to jednak straty procentowe wydatnie maleją. Te prawidłowości są ważną wskazówką dla projektowania sieci doprowadzającej.

Określone przez Kostiakowa orientacyjne wartości współczynnika strat na filtrację zestawiono w tabeli 1.

W systemach nawadniających Polski prawie z reguły, doprowadzalniki pracują w warunkach płytkiego zalegania wód gruntowych. Dla obliczeń wstępnych mamy tu następującą formułę empiryczną na współczynnik strat:

[% na 1 km],

gdzie:

Q - przepływ [m3⋅s-1],

k - współczynnik filtracji [m⋅d-1]

c - współczynnik zmniejszający zależny od wielkości przepływu i głębokości wody gruntowej pod dnem kanału (tab. 2).

Tabela. 1. Orientacyjne wartości współczynnika strat na filtrację (σ% na 1 km) w warunkach głębokiego zalegania wód gruntowych według Kostiakowa

Przepływ

[m3⋅s-1]

Grunty

Bardzo przepuszczalne

Przepuszczalne

Średnio przepuszczalne

Słabo przepuszczalne

0,05

49,2

14,2

9,3

5,1

0,10

34,8

10,0

6,6

3,6

0,50

15,5

4,5

2,9

1,6

1,00

11,0

3,2

2,1

1,1

5,00

4,9

1,4

0,9

0,5

10,00

3,5

1,0

0,7

0,4

Przedstawiony schemat strat z doprowadzalników w warunkach płytkiego zalegania wód gruntowych odpowiada najprostszemu przypadkowi filtracji. W naturze mogą się zdarzyć bardziej skomplikowane schematy hydrauliczne ze względu np. na: zróżnicowanie współczynnika filtracji w obrębie warstwy przewodzącej wodę, znaczne pochylenie nieprzepuszczalnego podłoża i in.

Tabela 2. Wartości współczynnika zmniejszającego (c)

Q

m3⋅s-1

Głębokość wody gruntowej w m

1

3

5

10

0,3

0,82

1,00

1,00

1,00

1,0

0,63

0,78

1,00

1,00

3,0

0,50

0,63

0,82

1,00

10,0

0,41

0,50

0,65

0,91

20,0

0,36

0,45

0,57

0,82

3. Inne straty z doprowadzalników

W warunkach klimatycznych Polski straty na parowanie z powierzchni wody w doprowadzalnikach są na ogół bardzo małe w porównaniu z możliwymi stratami filtracyjnymi. Tym niemniej, przy długich kanałach o znacznych szerokościach zwierciadła wody i małych przepływach, byłoby niesłuszne całkowite pomijanie tej pozycji w bilansie wodnym sieci doprowadzającej.

Dobowe wartości parowania z powierzchni wody można wyznaczyć ze wzoru:

E = 0,5 d mm⋅doba-1

gdzie: d - średni dobowy niedosyt wilgotności powietrza w hPa.

Orientacyjnie, jako średnio wysokie dobowe parowanie okresu letniego notowane są u nas wartości 5 - 10 mm na dobę, co odpowiada jednostkowym rozchodom 0,6 - 1,2 l⋅s-1⋅ha-1 z powierzchni zwierciadła wody.

Bardzo duże straty, nie dające się ująć żadnymi obliczeniami, mogą być powodowane przez nieszczelności wadliwie wykonanych budowli regulujących i przez niewłaściwą eksploatację systemu nawadniającego.

4. Projektowanie przekroju poprzecznego doprowadzalników

Mając ustaloną trasę doprowadzalnika i niezbędne położenia wysokościowe zwierciadła wody w profilu podłużnym, można przystąpić do projektowania przekroju poprzecznego. Przepływy miarodajne do obliczania wymiarów doprowadzalnika na poszczególnych jego odcinkach, wyznacza się na podstawie uprzednio opracowanych harmonogramów nawodnień, uwzględniając potrzeby wodne o określonym prawdopodobieństwie występowania.

Poprawnie zaprojektowany przekrój doprowadzalnika powinien zapewnić:

Należy podkreślić, że dobranie przekroju gwarantującego jednoczesne i całkowite spełnienie wszystkich warunków, częściowo się wykluczających, byłoby bardzo trudne, a niekiedy wręcz niemożliwe. Dlatego też zależnie od: jakości wody, celu i systemu nawodnień, rodzaju gruntu, przewidywanych umocnień itd. wysuwamy na pierwszy plan jeden lub dwa główne postulaty, które będą zasadniczymi kryteriami przy wyborze optymalnych wymiarów przekroju.

Spośród przekrojów trapezowych, opisanych na półkolu, bezwzględnie najkorzystniejszym byłby przekrój o nachyleniu skarp pod kątem 60° (1 : 0,58), dający przy tym kształcie maksimum promienia hydraulicznego i minimum obwodu zwilżonego. Nachylenie to jednak dla kanałów ziemnych nie umocnionych jest zbyt strome, nadaje się natomiast dla doprowadzalników betonowych i koryt prefabrykowanych.

Podobnie jak w rowach odwadniających, tak i w doprowadzalnikach prędkość wody charakteryzujemy zazwyczaj jednym wskaźnikiem - prędkością średnią:

V = Q/F,

która nie powinna przekraczać pewnych wartości krytycznych zależnych od:

Prędkości dopuszczalne podawane w literaturze, odnoszą się przede wszystkim do sieci odwadniającej i są przez analogię stosowane w doprowadzalnikach.

W doprowadzalnikach powinny być również wytworzone warunki nie zagrażające zamuleniu. W celu ochrony doprowadzalnika przed zamuleniem prędkość wody (średnia w przekroju) nie może być mniejsza od dopuszczalnej prędkości minimalnej.

Obliczenia hydrauliczne doprowadzalników wykonuje się w sposób analogiczny do obliczania kanałów odwadniających. Są one oparte są na założeniu ustalonego ruchu równomiernego. Przepływ i parametry kanału obliczamy z następujących zależności:

0x01 graphic

0x01 graphic

gdzie:

Q - objętość przepływu (m3⋅s-1),

F - powierzchnia przekroju poprzecznego (m2),

R - promień hydrauliczny (m),

J - spadek hydrauliczny przyjęty jako równy spadkowi dna,

V - średnia prędkość w przekroju (m. s-1),

C - współczynnik zależny od szorstkości, spadku i promienia hydraulicznego.

Tok obliczeń jest tu jednak bardziej skomplikowany, gdyż przy projektowaniu doprowadzalnika, wskutek rozbiorów wody na trasie przepływy w miarę odległości od ujęcia maleją i dlatego przekroje poprzeczne na poszczególnych odcinkach będą różne. Można by przyjąć jedną z następujących zasad, jako wytyczną do obliczeń:

Na wybór rozwiązania wpływają warunki miejscowe i eksploatacyjne, ale warto podkreślić, że ze względu na zamulenie, spadki i prędkości nie powinny w żadnym przypadku wykazywać wzdłuż kanału tendencji malejącej.

Projektując przekrój poprzeczny doprowadzalnika należy uwzględnić funkcję spełnianą przez dany odcinek w całokształcie sieci doprowadzającej. Doprowadzalnik główny usytuowany poza obiektem nawadnianym i biegnący w wykopie (rys. 29) powinien mieć przekrój zwarty - przeważa tu postulat maksymalnego przepływu przy minimum kubatury robót ziemnych.

0x01 graphic

Rys. 29. Przekrój poprzeczny doprowadzalnika biegnącego w wykopie

Sieć doprowadzalników drugiego rzędu, położoną z reguły wewnątrz obszaru nawadnianego, najdogodniej jest wykonać w półwykopie-półnasypie (rys. 30). W tym przypadku również profil zwarty byłby korzystniejszy, zwłaszcza jeśli udałoby się zrównoważyć objętości mas ziemnych tylko w ramach transportu poprzecznego.

0x01 graphic

Rys. 30. Przekrój poprzeczny doprowadzalnika biegnącego w półwykopie-półnasypie

Doprowadzalnik idący całkowicie w nasypie może być przy niektórych systemach nawodnień pożądany, a nawet konieczny, ze względu na utrzymanie odpowiedniego położenia zwierciadła wody w stosunku do powierzchni terenu (rys. 31). Na ogół jednak rozwiązanie takie jest kosztowne i trudne w eksploatacji.

0x01 graphic

Rys. 31. Przekrój poprzeczny doprowadzalnika biegnącego całkowicie w nasypie

Na utrzymanie stałości przekroju poprzecznego doprowadzalników nie umocnionych w sposób zasadniczy wpływa nachylenie skarp. Zależnie od właściwości gruntu, roli i wielkości doprowadzalnika stosowane są nachylenia w granicach 1:0,5 (sieć szczegółowa) do 1:3 (sieć podstawowa).

Najczęściej nachylenia skarp darniowanych lub obsianych są następujące:

Oczywiście w przypadku umocnienia dna i skarp, np. okładziną betonową przekrój doprowadzalnika staje się bardziej zwarty, zbliżony do przekroju hydraulicznie najkorzystniejszego.

5. Uszczelnianie doprowadzalników

Straty na przesiąki mogą być w pewnym stopniu ograniczone przez prawidłową eksploatację systemów nawadniających, lecz dla wydatnego zmniejszenia filtracji niezbędne jest stosowanie specjalnych zabiegów lub środków technicznych.

Różnorodne środki i sposoby zwalczania strat na filtrację z doprowadzalników otwartych oparte są na dwóch głównych metodach:

Zmniejszenie przepuszczalności gruntu może być osiągnięte jednym z następujących sposobów:

  1. Mechaniczne zagęszczanie gruntu - zabieg ten nadaje się do uszczelniania gruntów spoistych. Dno i skarpy kanału zostają zagęszczone ciężkimi wałami lub ubite za pomocą maszyn udarowych. W wierzchniej warstwie do głębokości 25 - 50 cm zachodzą wtedy następujące zmiany:

  1. Kolmatacja gruntu, czyli sztuczne zamulenie powierzchni i przestworów gruntu drobnymi cząsteczkami pyłowymi i iłowymi - może być prowadzona w wodzie bieżącej podczas pracy kanału lub w wodzie stojącej na odcinkach zamykanych stałymi czy też prowizorycznymi budowlami piętrzącymi. Kolmatacja zmniejsza filtrację przeciętnie 3 - 5 razy, a w przypadku, np. gruntów różnoziarnistych i bez spękań lub szczelin nawet 10 - 15 krotnie.

  2. Sztuczne oglejenie profilu - na dnie i skarpach kanału o głębokości zwiększonej w stosunku do projektowanej o 15-25 cm, układa się kilkucentymetrową warstwę masy organicznej: słomę, chwasty lub inne resztki roślinne zmieszane z gruntem podłoża, po czym masę tę przykrywa się ubitą warstwą ochronną gruntu rodzimego (10-15 cm). Sposób ten nadaje się tylko do uszczelniania doprowadzalników małych prowadzących stale wodę, a zawodzi w sieci pracującej ze znacznymi przerwami, zwłaszcza zaś w warunkach głębokiego zalegania zwierciadła wody gruntowej.

  3. Wytworzenie sztucznego zasolenia gruntu - sole przenikające z wodą w grunt niszczą jego strukturę i zmniejszają przepuszczalność. Sposób ten nie nadaje się do uszczelniania gruntów węglanowych, jest stosunkowo krótkotrwały (3-4 lata), a powoduje niezbyt wielkie zmniejszenie przepuszczalności (2-5 razy). Ponadto jako skutek uboczny może wystąpić zmniejszona odporność gruntu na rozmywanie.

  4. Bitumizacja i silikatyzacja powierzchni - natrysk, uprzednio wzruszonej powierzchni gruntu, ropą naftową lub emulsjami bitumicznymi pozwala uzyskać kilkakrotne (3-4) zmniejszenie współczynnika filtracji. Trwałość bitumizacji ocenia się na 4-5 lat. Silikatyzację, zbieg dość kosztowny i mało stosowany w technice nawodnień, wykonuje się przez zastrzyki roztworu szkła wodnego utrwalonego wprowadzonym roztworem CaCl2.

Formy przepon i okładzin uszczelniających są bardzo różnorodne, w zasadzie jednak można je sprowadzić do następujących typów:

  1. Nieprzepuszczalne przepony gruntowe - jako materiał na przepony gruntowe stosowana jest powszechnie glina. Ponadto stosuje się przepony ze specjalnych grup materiałów ilastych (bentonit) zapewniających dużą wodoszczelność przy minimalnej (kilka mm) grubości warstwy.

  2. Przepony i okładziny asfaltowe - mogą być wykonane przez natrysk powierzchni gruntu na gorąco warstwą asfaltu o grubości przeważnie 6 - 9 mm lub ułożenie prefabrykowanych płyt asfaltowych grubości około 12 mm.

  3. Przepony z tworzyw sztucznych - obecnie coraz częściej wprowadza się uszczelnienia z folii. Płaty folii o grubości 0,1 - 1,0 mm, o różnej długości i szerokości, stosowane są jako wykładziny pokrywające powierzchnię skarp i dna kanałów lub stałe przepony kryte.

  4. Brukowanie skarp i dna - bruk będący elementem ubezpieczającym spełnia również rolę uszczelniającą zmniejszając straty 1,5 - 3 razy.

  5. Okładziny betonowe i żelbetowe - uszczelnienia te szeroko stosowane we wszelkiego rodzaju kanałach stanowią jednocześnie obudowę umacniającą przekrój. Stosowane są następujące zasadnicze formy uszczelnień betonowych:

6. Rurociągi grawitacyjne i tłoczne

W nowoczesnych systemach nawadniających coraz częściej stosowane jest doprowadzenie wody za pomocą rurociągów krytych - grawitacyjnych lub tłocznych.

Rurociągi grawitacyjne mogą być projektowane na przepływ swobodny lub pod niewielkim ciśnieniem, zazwyczaj rzędu paru metrów słupa wody. Doprowadzalniki tego typu nadają się do zasilania wszelkich systemów nawodnień podpowierzchniowych oraz niektórych napowierzchniowych: stokowego i bruzdowego, nie wymagających dużego dopływu jednostkowego.

Rurociągi tłoczne pracujące pod dużym ciśnieniem (kilka do kilkunastu atmosfer) stanowią składowy element ujęć wody z mechanicznym podnoszeniem oraz służą do zasilania deszczowni ze zraszaczami dalekiego zasięgu.

Ze względu na znaczne koszty budowy i eksploatacji rurociągów o dużym przepływie, najczęściej stosuje się kombinowany układ sieci doprowadzającej: doprowadzalniki główne w formie kanałów otwartych, a boczne i rozdzielacze jako rurociągi podziemne.

Sprawność działania i straty przepływu na sieci doprowadzającej

Krzysztof Ostrowski

60

59



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Napęd Elektryczny wykład
wykład5
Psychologia wykład 1 Stres i radzenie sobie z nim zjazd B
Wykład 04
geriatria p pokarmowy wyklad materialy
ostre stany w alergologii wyklad 2003
WYKŁAD VII
Wykład 1, WPŁYW ŻYWIENIA NA ZDROWIE W RÓŻNYCH ETAPACH ŻYCIA CZŁOWIEKA
Zaburzenia nerwicowe wyklad
Szkol Wykład do Or
Strategie marketingowe prezentacje wykład
Wykład 6 2009 Użytkowanie obiektu
wyklad2
wykład 3
wyklad1 4

więcej podobnych podstron