XI. Obliczanie nawodnień zalewowych

Podczas każdego nawadniania zalewowego, niezależnie od jego celu, odmiany lub formy eksploatacyjnej, występują trzy kolejne fazy:

• napełniania kwatery do żądanego poziomu,

• podtrzymania zalewu,

• zrzutu wody z kwatery.

Urządzenia doprowadzające i spustowe muszą zapewnić sprawne wykonanie zadań każdej fazy, wśród których szczególnej uwagi wymaga napełnianie kwatery, jako fazy najważniejszej, decydującej o możliwości zrealizowania nawadniania.

Ze względu na glebowo-wodne warunki nawadnianego profilu należy wyróżnić w obliczeniowych schematach hydraulicznych dwa przypadki, wymagające odrębnego podejścia:

• nawadnianie przy bliskim zaleganiu wód gruntowych,

• nawadnianie przy głębokim zaleganiu wód gruntowych.

1. Nawodnienia zalewowe w warunkach płytkiego zalegania wód gruntowych.

1. F a z a n a p e ł n i a n i a k w a t e r y

Jeśli zwierciadło wód gruntowych leży stosunkowo blisko pod powierzchnią terenu, a grunt jest przynajmniej średnio przepuszczalny, to istnieje duża możliwość, że już w trakcie fazy pierwszej zbiornik podziemny zdoła się całkowicie wypełnić do granic wyznaczonych przez pełną pojemność wodną warstwy aeracji.

Do schematu nawadniania (rys. 51) wprowadzamy następujące oznaczenia:

F - powierzchnia kwatery w ha,

h - średnia głębokość zalewu w m sł. wody,

ΔW - średnia objętość zbiornika podziemnego w m sł. wody, równa różnicy pomiędzy pełną pojemnością wodną, a początkowym zapasem wody, zawartej w warstwie H_p ponad zwierciadłem wody gruntowej. Wartość ΔW można wyznaczyć z typowych wykresów uwilgotnienia,

T - czas efektywny niezbędny do wykonania zalewu kwatery w dobach,

Q - dopływ na kwaterę w dm³⋅s^-1,

q - dopływ jednostkowy równy Q/F.

Rys. 51. Schemat nawadniania zalewowego przy płytkim zaleganiu wody gruntowej.

a) przekrój podłużny przez kwaterę, b) uwilgotnienie profilu w fazie zalewu, c) uwilgotnienie profilu po zakończeniu zalewu

Wzór wiążący parametry nawadniania będzie dość prosty: objętość wody dopływającej na kwaterę w czasie T powinna wypełnić zbiornik nadziemny i podziemny. Pomijając straty na przesiąki pod groblami i straty na parowanie z wolnej powierzchni wody na kwaterze, otrzymamy równanie bilansu wodnego netto w postaci:

lub

Stosując te wzory należy pamiętać o sprowadzeniu składowych do jednakowych jednostek miar. Najczęściej wyrażamy:

F - ha,

h - metry słupa wody,

ΔW - metry słupa wody,

T - doby,

Q - dm³⋅s^-1,

q - dm³⋅s^-1⋅ha^-1.

Przy tych jednostkach równanie bilansu ma postać:

lub

Jeśli h i ΔW wyrazić w mm słupa wody, to na dopływ jednostkowy otrzymuje się prostą formułę:

Ponieważ w projekcie zakładamy napełnienie kwatery h i wynikającą z warunków glebowo-wodnych objętość zbiornika podziemnego ΔW, (które to wielkości w sumie reprezentują dawkę nawodnienia), stąd z powyższych wzorów wyznaczamy dopływ lub czas, przyjmując jedną z tych wielkości, jako założenie uzupełniające.

Aby znaleźć dopływ brutto, należy jeszcze uwzględnić straty na kwaterze.

1. Straty na parowanie z wolnej powierzchni wody w trakcie zalewu są w naszym klimacie na ogół bardzo małe (kilka mm na dobę) i przy krótkich czasach zalewu oraz dużych napełnieniach kwatery mogą być pomijane. Parowanie dobowe można wyrazić w przybliżeniu wzorem:

E = 0,5 d [mm⋅doba^-1],

gdzie:

d - średni dobowy niedosyt wilgotności powietrza w hektopaskalach. Dopływ jednostkowy na pokrycie parowania równa się:

a dodatkowy dopływ na kwaterę wynosi:

2. W przypadku bliskiego zalegania wód gruntowych straty na przesiąki mogą być poważniejsze tylko w razie niekorzystnego stosunku obwodu kwatery do jej powierzchni i przy bardzo przepuszczalnym podłożu. Podczas nawadniania szeregu kwater straty pomiędzy kwaterami ulegają wyrównaniu. Stratę na przesiąki wzdłuż obwodu zalewanej kwatery można oszacować w następujący sposób:

,

gdzie:

L - długość obwodu groblowanego w km,

H₀ - stan wody na kwaterze (w m), przy którym pojawiają się znaczniejsze przesiąki,

H₁ - projektowany stan wody na kwaterze zalewanej w metrach. Stany H₀ i H₁ liczone są od poziomu wody w zewnętrznych rowach odpływowych,

q_p - przesiąk jednostkowy w dm³⋅s^-1⋅km^-1,

Rys. 52. Przesiąki pod groblą na obwodzie kwatery.

Orientacyjne wartości przesiąków q_p, przy różnicy H₁-H₀= 1 m, wynoszą:

• grunty nieprzepuszczalne 5 dm³⋅s^-1⋅km^-1,

• grunty słabo przepuszczalne 10 dm³⋅s^-1⋅km^-1,

• grunty średnio przepuszczalne 20 dm³⋅s^-1⋅km^-1,

• grunty przepuszczalne 30 dm³⋅s^-1⋅km^-1,

• grunty bardzo przepuszczalne 50 dm³⋅s^-1⋅km^-1.

Przy H₁-H₀=0 przesiąk q_p=0.

Oczywiście w przypadkach poważniejszych należy przesiąki pod groblami wyznaczać według zasad ogólnych i znanych wzorów na filtrację pod budowlami wodnymi. Dopływ na kwaterę z uwzględnieniem strat - dopływ brutto, wyniesie:

Pozostaje jeszcze do omówienia bardzo ważne zagadnienie, mianowicie obiektywne kryterium dla stosowania wyprowadzonych wzorów na zalew kwatery z bliskim zwierciadłem wody gruntowej. Przy zestawieniu bilansu nawodnienia zrobiono założenie, że w czasie zalewu T wypełnia się całkowicie zbiornik podziemny ΔW. Ponieważ sprawy tej z góry nie można przesądzić, należy w każdym przypadku po wykonaniu obliczeń założenie to sprawdzić.

Prędkość wsiąkania wody w profil glebowy wyraża się wzorem empirycznym Kostiakowa:

oraz

,

gdzie:

ω_t - prędkość wsiąkania w momencie t,

ω₁ - prędkość wsiąkania po upływie pierwszej jednostki czasu,

V_0-t - objętość wody (w mm słupa) wsiąkającej w czasie od 0 do t,

ω_0-1 - objętość wody (w mm słupa) wsiąkającej w pierwszej jednostce czasu, czyli początkowa średnia prędkość wsiąkania równa:

,

α - współczynnik o wartości od -0,2 do -0,8.

Zgodnie z powyższym wzorem, czas niezbędny do wsiąknięcia objętości wody ΔW, wypełniającej zbiornik podziemny wyniesie:

Jeśli prędkość wsiąkania jest stała i równa ω (mm) w jednostce czasu, to α = 0 i wzór na czas wsiąkania uprości się do formy:

Porównując czas zalewu T, obliczony z wzorów przy założeniu bliskiego zwierciadła wody gruntowej, z czasem t niezbędnym na wsiąknięcie objętości wody ΔW, możemy ocenić słuszność przyjętej hipotezy i prawidłowość posłużenia się danym wzorem. Mianowicie:

• gdy T > t, to istotnie zachodzi przypadek bliskiego zwierciadła wody gruntowej; zbiornik podziemny zdoła napełnić się w czasie krótszym, niż trwa całkowite napełnianie kwatery,

• gdy T < t, to pomimo, że zwierciadło wody gruntowej według subiektywnej oceny zalegałoby blisko pod powierzchnią, mamy w rzeczywistości przypadek głębokiego zwierciadła wody gruntowej. W czasie T nie zdoła wsiąknąć objętość ΔW i obliczenie czasu nawodnienia musi być dokonane za pomocą innych wzorów.

2. F a z a p o d t r z y m a n i a z a l e w u i z r z u t u w o d y z k w a t e r y.

Podtrzymanie zalewu stojącego wymaga niewielkich objętości dopływu, przeznaczonych na pokrycie strat wynikających z parowania i przesiąków. Natomiast w przypadku nawadniania zalewowego z przepływem może być potrzebny w fazie drugiej dość znaczny dopływ (kilkadziesiąt litrów na sekundę i hektar), zależnie od celu nawodnienia i projektowanej prędkości wody na kwaterze.

Po zakończeniu fazy podtrzymania zalewu następuje zrzut wody z kwatery. Objętość odpływu składa się tu z objętości opróżnianego zbiornika nadziemnego o średnim napełnieniu h oraz z objętości zbiornika podziemnego ΔW_z. Wielkość ΔW_z odpowiada odciekalności profilu glebowego i stanowi różnicę między pełną pojemnością wodną, a polową pojemnością wodną w warstwie H_k nad zwierciadłem wody gruntowej, które przewiduje się utrzymać po nawodnieniu. Oznaczając przez T_z czas opróżniania kwatery w dobach znajdujemy średni jednostkowy odpływ, miarodajny dla wymiarowania urządzeń spustowych, ze wzoru:

,

gdzie:

h i ΔW_z - wyrażone są w mm słupa wody.

2. Nawodnienia zalewowe w warunkach głębokiego zalegania wód gruntowych

Jeżeli objętość zbiornika podziemnego przed nawodnieniem (równa objętości nie zajętej przez wodę w strefie aeracji) jest duża, a przepuszczalność gruntu niewielka, to w czasie napełniania kwatery może wsiąknąć ilość wody znacznie mniejsza, niż potrzeba jej do wypełnienia całego potencjalnego zbiornika podziemnego. Z drugiej strony istnienie dużego zbiornika podziemnego przy dużej przepuszczalności gruntu utrudnia lub wprost uniemożliwia szybkie wykonanie zalewu, który wymagałby ponadto bardzo dużego dopływu jednostkowego.

Rozpatrzmy przypadek najprostszy, przy założeniu następujących warunków:

• prędkość wsiąkania wody w grunt podczas trwania zalewu waha się w niewielkich granicach i może być przyjęta jako wielkość stała,

• zbiornik podziemny nie wypełnia się całkowicie podczas zalewu, a więc może być traktowany jako nieograniczony.

Ze względu na powiązania wewnętrzne nie wszystkie parametry nawadniania mogą być dowolnie obierane. Dotyczy to szczególnie powierzchni kwatery i dopływu, które przy danej prędkości wsiąkania powinny być związane nierównością:

Q ≥ F∙ω

lub

q ≥ ω

Gdyby nierówność ta nie była spełniona, to osiągnięcie zalewu o powierzchni F i wysokości 2h nie byłoby praktycznie biorąc możliwe. W pewnym momencie, po zalaniu części kwatery, dopływ wystarczałby zaledwie na pokrycie wsiąkania i dalsze napełnianie kwatery uległoby zahamowaniu.

Wychodząc z bilansu wodnego dla okresu całkowitego napełniania kwatery:

Q * T = h * F + μ * ω * F * T

Autorzy wprowadzają współczynnik nierównomierności zalewu μ ≤ 1, który uwzględnia fakt, że w czasie od 0 do T kwatera jest zalana tylko częściowo i powierzchnia zalewu jest w każdym momencie mniejsza od końcowej powierzchni F, a czasy przebywania pod wodą poszczególnych części powierzchni kwatery są mniejsze od T.

Skotnicki przyjął współczynnik μ = 0,5, Zakaszewski otrzymał μ = 0,67, Kostiakow przyjmuje μ = 1. Założenie Kostiakowa odpowiada zupełnie ściśle tylko warunkom pracy płaskiego pola ryżowego o poziomej powierzchni, która momentalnie zostaje pokryta wodą, a dopiero w trakcie dalszego zalewu następuje równomierne napełnianie całej kwatery do żądanej głębokości. Obliczenia Ostromęckiego wykazały, że znacznie lepsze przybliżenie wzoru teoretycznego daje współczynnik nierównomierności μ = 0,75, a równanie bilansowe ma postać:

,

z którego otrzymuje się czas napełniania:

Ogólne kryterium stosowalności wzorów na zalew w warunkach głębokiego zalegania wód gruntowych jest następujące: jeśli zbiornik podziemny ma objętość wprawdzie dużą, lecz ograniczoną i równą ΔW, to czas niezbędny na jego wypełnienie przy stałej prędkości wsiąkania w wyniesie:

Gdy czas zalewu T obliczony z wzoru (przy μ = 0,75) jest mniejszy od czasu wsiąkania t, to istotnie mamy przypadek głębokiego zwierciadła wód gruntowych. Podczas zalewu nie zdoła się wypełnić cały potencjalny zbiornik podziemny i zastosowanie przytoczonych wzorów jest uzasadnione. Jeżeli natomiast z obliczeń otrzymamy T * t, to zbiornik podziemny zostałby w czasie napełniania kwatery całkowicie wypełniony. W tym przypadku nawodnienie należy traktować jako prowadzone w warunkach płytkiego zwierciadła wody gruntowej i zastosować odpowiednie wzory.

3. Współczynniki wykorzystania wody w nawodnieniach zalewowych

Oznaczając przez:

F - powierzchnię kwatery,

d - dawkę polewową netto,

Q - dopływ w fazie napełniania,

T - czas napełniania,

Q_p - dopływ w fazie podtrzymywania zalewu,

T_p - czas podtrzymania zalewu, otrzymujemy następujące wyrażenie na współczynnik wykorzystania wody na kwaterze podczas jednego nawadniania zalewowego:

lub uwzględniając, że

Q = q * F

oraz

Q_p = q_p * F

Współczynniki wykorzystania wody są przy nawodnieniach zalewowych, zwłaszcza zwilżających, na ogół bardzo niskie i dla pojedynczej kwatery kształtują się w przedziale 0,2-0,3. W razie wykorzystania zrzutów można współczynniki te w obrębie obiektu lub kompleksu znacznie podwyższyć.

Obliczanie nawodnień zalewowych

Krzysztof Ostrowski

112

113

---