ГЛАВА 3. ОБОСНОВАНИЕ СХЕМ ВОДОЗАБОРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

3.1. Принципы размещения водозаборных скважин

Водозаборные скважины следует размещать вне пределов населенных мест и промышленных объектов. В то же время, расстояние от водозабора до потребителя не должно быть чрезмерно большим, иначе возрастут затраты на строительство и эксплуатацию трубопроводов. Существующие водозаборы обычно удалены от потребителя на расстояния, измеряемые первыми километрами. Водозабор всегда желательно располагать выше по потоку подземных вод от месторасположения потребителя, что предотвращает появление загрязнений и облегчает организацию зон санитарной охраны в районе водозабора. В связи с необходимостью отчуждения земель под проектируемый водозабор, желательно размещать его на неиспользуемых или неудобных землях.

Расстояния между скважинами должны обеспечить минимальное отчуждение земель и затрат на соединительные трубопроводы. Однако чрезмерно малые расстояния приводят к значительному росту понижений динамического уровня воды и как следствие - повышению затрат на подъем воды на поверхность.

В неоднородных пластах скважины обычно размещают в зонах повышенной проницаемости, в однородных пластах – в виде линейного ряда на равных расстояниях. Вблизи рек и выхода родников линейный ряд скважин следует размещать параллельно урезу реки или контуру разгрузки, при наличии потока подземных вод – перпендикулярно потоку. В напорно-безнапорных пластах ряд скважин следует размещать параллельно границе распространения грунтовых вод на расстоянии нескольких сотен метров от нее. Расстояние до реки или родниковой разгрузки не должно быть большим, чтобы обеспечить привлечение дополнительных запасов и наступление стационарного режима фильтрации. Вместе с тем, чрезмерно малое расстояние скважин от реки исключает возможность естественной очистки поверхностных вод при фильтрации по пласту. Обычно расстояния до реки принимаются равными от 50 до 300 м, до родников – первые сотни метров.

Расстояние между скважинами ориентировочно можно принимать исходя из того, что они должны быть большими в слабопроницаемых отложениях, вблизи закрытых границ, в напорных водах и меньшими – в хорошо проницаемых пластах, вблизи открытых границ, а также в грунтовых водах. Рекомендуемые нами значения расстояний между скважинами приведены в табл.1.

Таблица 1. Расстояния между водозаборными скважинами, м

При выборе исходного расстояния между скважинами для реальных условий следует принимать промежуточные значения. Например, в неограниченном напорном пласте при Т=500 м²/сут – 500 м.

3.2. Методы расчета взаимодействующих скважин

Для расчета понижения уровня в пласте под влиянием водоотбора из нескольких скважин используются два метода: суперпозиция и обобщенных систем скважин [4].

Первый метод заключается в суммировании срезок (понижений) уровня, получаемых от работы каждой скважины так, что понижение уровня в j-й скважине равно:

где – понижение уровня в j-й скважине, располагающейся на расстояниях от каждой i-й взаимодействующей скважины; i =1, 2, ... n;

n – число взаимодействующих скважин.

При расчете срезки от самой j-й скважины на себя = радиус фильтра.

При использовании этого метода число слагаемых равно количеству взаимодействующих скважин с учетом их отображения от границ пласта, отличаются слагаемые только величиной . Метод эффективен при небольшом количестве скважин.

Второй метод заключается в том, что большое число взаимодействующих скважин заменяется "обобщенной системой" [4]. Понижение уровня подземных вод, вызванное действием обобщенной системы, меньше понижения уровня в самих скважинах, поскольку при этом исключается из рассмотрения зона наибольшей деформации потока вблизи скважины. Поэтому полное понижение выражается суммой:

где S_wj – понижение уровня, обусловленное действием обобщенной системы в районе j-й скважины; – дополнительное понижение уровня в самой j-й скважине.

Величина S_wj определяется суммарным водоотбором Q_сум,внешними граничными условиями пласта, его гидродинамическими параметрами (km и μ), схемой расположения водозаборных скважин, периодом эксплуатации водозабора. Определение S_wj выполняется по тем же формулам, что и расчет понижения для одиночной скважины. Однако при расчете S_wj вместо r_о используется величина r_пр. Последняя определяется для центральной скважины в линейном ряде скважин длиной 2l [4]:

r_пр=0,37l;

в кольцевой системе радиуса R:

r_пр=R;

в площадной системе радиуса R

r_пр=0,61R.

Величина определяется дебитом скважины, величиной водопроводимости, расстоянием между скважинами, конструкцией фильтра скважины и его несовершенством. Для линейного ряда и кольцевой системы скважин [4, 5]:

(7)

где s – половина расстояния между скважинами; r₀, – радиус фильтра и показатель несовершенства скважины.

Метод обобщенных систем имеет следующие ограничения на использование [4]:

1) дебиты всех скважин и расстояния между скважинами должны быть одинаковыми;

2) в пределах всего контура размещения скважин должны наступить условия квазистационарной фильтрации, т.е. метод можно использовать при

или ^. (8)

3) в ограниченных пластах использование для расчета S_wj формул для одиночных скважин ограничено следующим соотношением: L>r_пр , где L – расстояние до удаленной границы, оказывающей влияние на работу водозабора.

Метод обобщенных систем эффективен для расчетов водозаборов при большом количестве скважин (более трех). При меньшем количестве скважин его не применяют. Если этим методом учитывать взаимодействие нескольких водозаборов, то каждый на них представляется в виде одной системы. Тогда

(9)

где S_bj – срезка понижения уровня от работы взаимодействующего с расчетным водозабора, рассчитываетcя по той же формуле, что и S_wj, в которой вместо Q_сум используется величина Q_b – расход взаимодействующего водозабора и вместо – расстояние между центрами этих водозаборов.

Пользоваться зависимостью (9) можно при условии: L₁>2r_пр.

Учет несовершенства скважин

Как известно, различают два вида несовершенства скважин: по степени и по характеру вскрытия водоносного пласта. В соответствии с этим показатель x_не, входящий в формулу (7), можно представить в виде двух слагаемых:

x_{нe =} x_{1 +} x₂ (10)

Здесь x₁– часть дополнительного сопротивления, определяемая неполнотой вскрытия; x₂ – часть, определяемая характером вскрытия водоносного пласта. Второе слагаемое обусловлено сопротивлением самого фильтра скважины и прифильтровой части пласта. Проницаемость пласта в этой зоне может ухудшаться за счет явлений кольматажа или увеличиваться за счет разуплотнения прифильтровой части при выносе мелких частиц потоком воды в скважину. В последнем случае дополнительное сопротивление имеет знак минус и говорят об "отрицательном" несовершенстве скважины. Величина x₂ может быть определена только экспериментально по данным опытно-фильтрационных работ. Поэтому в дальнейшем она нами не рассматривается.

В пластах мощностью не более 30 м водозаборные скважины обычно проектируются совершенными по степени вскрытия. В пластах большей мощности устройство длинного фильтра нецелесообразно вследствие существенного возрастания гидравлических потерь при движении воды внутри фильтра. Здесь водоприток происходит главным образом в верхней части фильтра и скважина с длинным фильтром все равно практически оказываются несовершенной. Поэтому длину фильтра следует ограничивать 30 м и в пластах большей мощности учитывать несовершенство скважины по степени его вскрытия x₁.

Величина x₁ определяется по графикам в зависимости от соотношения мощности пласта – m, длины фильтра – l и его радиуса – r₀, которые применимы для случаев, когда водоприемная часть скважины примыкает к кровле или подошве пласта (рис.3).

Рис.3. График дополнительного сопротивления x при несовершенстве скважин

Примечание: Для грунтовых вод средняя расчетная мощность определяется по формуле:

где – мощность водоносного пласта в естественных условиях; S_j – полное расчетное понижение уровня в скважине.

Особенности расчета понижения уровня в грунтовых водах

При снижении уровня грунтовых вод уменьшается мощность водоносного горизонта и, следовательно, его водопроводимость. В том случае, если максимальное изменение мощности пласта не превышает 25-30% его первоначальной величины, изменением водопроводимости можно пренебречь. Однако, учитывая, что расчет водозаборов ведется из условия снижения уровня воды к величинам близким к допустимому понижению, соответствующему 50% мощности пласта, необходимо учитывать изменение водопроводимости. Для этого можно воспользоваться одним из нижеизложенных способов.

Первый способ – приближенный. Предполагается, что максимальное понижение уровня в скважинах получится равным максимально допустимому. Тогда средняя мощность водоносного пласта, определяемая как полусумма мощностей при статическом и динамическом уровнях воды, будет равна

h_ср=h_e – 0.5S_доп,

где h_e – мощность пласта в естественных условиях.

Для расчетов понижения уровня в скважинах водозабора следует пользоваться величиной h_ср, уменьшив величину водопроводимости пропорционально сокращению мощности .

Расчеты этим способом дают некоторое завышение расчетных значений понижений уровня тем большее, чем больше отличается это значение от допустимого.

Второй способ, более конкретный, предполагает использование уравнения для безнапорных вод [5, 11]:

,

которое является квадратным относительно понижения S. При его решении выражение под корнем может получиться отрицательным, что свидетельствует об осушении пласта, когда S превышает h_e. Расчеты в этом случае необходимо повторить, уменьшив дебит скважин и (или) увеличив расстояние между ними.

Может оказаться что, в полученном решении один из корней уравнения больше h_е , т.е. не соответствующим физическому смыслу решаемой задачи.

ГЛABA 4. ВОПРОСЫ ЗАЩИТЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

4.1. Оценка качества подземной воды и прогноз его изменения

Оценка пригодности подземной воды для ее использования в хозяйственно-питьевых целях выполняется путем сопоставления данных ее химического состава с требованиями, регламентируемыми СанПиН 2.1.4.1074-01 [13]. Сопоставление осуществляется по физическим, бактериологическим и химическим показателям. Особое внимание следует обращать на наличие колиморфных бактерий (коли-индекс), величину общей минерализации, жесткость, содержание железа, фтора, микрокомпонентов, вредных для здоровья человека. Существующее благоприятное положение с показателями качества подземной воды на участке водозабора не гарантирует его сохранения в течение всего периода эксплуатации. Необходимо обратить внимание на возможное существование источников загрязнения подземных вод, ухудшающих показатели качества в процессе водоотбора. Такими источниками могут быть поверхностные воды, инфильтрация на полях орошения и свалках твердых бытовых отходов (ТБО), переток из соседних водоносных горизонтов, содержащих воду, не соответствующую требованиям СанПиН, подтягивание фронта засоленных вод по водоносному пласту, из которого осуществляется водоотбор и др. Методы прогноза изменения качества подземных вод рассмотрены в специальной литературе [3, 8]. Остановимся на самых простейших, основанных на схеме поршневого продвижения фронта подземных вод, не соответствующих нормативам (некондиционных) к водозаборным скважинам.

Время движения поверхностных вод из реки до линии водозабора t определяется балансовым соотношением:

Q×t=L∙l∙h∙n_a (11)

где :

Q - приток воды из реки, равный суммарному водоотбору, м³/сут;

L – длина водозабора, м; l – расстояние скважин до реки, м;

h – средняя мощность водоносного горизонта, м;

n_a – активная пористость, численно равная гравитационной водоотдаче.

При существовании двухстороннего притока (схема без реки) для определения времени движения фронта некондиционных вод можно воспользоваться формулой (11), однако величина Q будет равна половине суммарного расхода водозабора. Эта схема дает хорошие результаты при

L>l , где(12)

l – расстояние от водозабора до фронта некондиционной воды.

При невыполнении условия (12) лучше воспользоваться зависимостью для радиальной фильтрации.

Более строгий гидродинамический расчет для плоско параллельного потока предполагает определение времени продвижения фронта некондиционных вод к скважинам по формуле:

где l – первоначальное расстояние до фронта некондиционных вод, м; k – коэффициент фильтрации, м/сут; J_о, J_э – напорные градиенты в естественных условиях и дополнительный за счет водоотбора.

Первый из них определяется по карте изопьез (изогипс) в ненарушенных условиях, второй по приближенной зависимости:

где S_w S_ф – понижение уровня по линии водозаборных скважин и на линии фронта загрязнения.

Учитывая, что в процессе эксплуатации величина J_э будет изменяться вследствие снижения уровня и изменения величины l, задачу следует решать нахождением фронта через фиксированные промежутки времени Dt_i, причем i=1, 2, ... – число промежутков в общем периоде эксплуатации. Тогда продвижение фронта l(t_n) от первоначального положения на время t_n = nDt определяется выражением:

(13)

Здесь необходимо последовательно определять все значения для i= 1, 2, ... n, т.к. они входят под знак суммы.

Для радиального потока в бассейне подземных вод (J»0)определение времени подтягивания загрязнений к скважинам также может быть выполнено двумя способами:

а) исходя из балансового соотношения

Qt=n_aπ(R² – r²)h (14)

где R – расстояние до границы фронта загрязнения, м; r – радиус водозабора или одиночной скважины, м. Здесь величина Qt характеризует статические запасы подземных вод питьевого качества, которые могут быть отобраны данным водозабором;

б) более точный расчет может быть получен при учете изменяющихся условий продвижение фронта R(t_n)относительно первоначального положения на время t_n исходя из балансового соотношения:

Q∆t_i=2πR_i(t)·h·n_a·∆R_i(t) (15)

Здесь последовательно задаются равные промежутки ∆t и определяется ∆R_i(t). Для (i+1)-го временного промежутка в формуле (15) рассчитывается

∆R_i+1(t)=R_i(t)-∆R_i(t) (15а)

которое и показывает прогнозное расстояние фронта загрязнения от водозабора через время t_i+1=(i+1)·∆t.

Последовательное определение значений R(t_i) позволяет построить график перемещения фронта загрязнения во времени.

Если в процессе эксплуатации фронт некондиционной воды достигает водозаборных скважин (t_n<t_э), необходимо выполнить расчет изменения качества отбираемой скважинами воды. Для этого надо оценить долю некондиционной воды в общем расходе, поступающем к скважинам. При значительных расстояниях между водозаборными скважинами возникает необходимость определения времени попадания некондиционной воды в каждую из них. Со временем все большее количество скважин будет оказываться за фронтом некондиционной воды. Определение минерализации, так же как и концентрации любого компонента в воде определяется по уравнению смешения, как средневзвешенное значение:

где M_i – минерализация или содержание отдельных компонентов в i-й скважине; Q_i– дебит -й скважины, i = 1, 2, … n – общее число скважин; – суммарный водоотбор.

При поступлении некондиционной воды с одной стороны водозабора, расположенного в радиальном потоке, величина средневзвешенного значения параметра качества определяется по приближенной зависимости:

где M₀ и M₁ – значения параметра качества воды исходное и некондиционное; α – размер дуги в радианах, в пределах которой размещается фронт некондиционной воды.

С целью сохранения благоприятных показателей качества подземных вод, вокруг водозабора должны быть запроектированы зоны санитарной охраны.

4.2. Определение границ поясов зон санитарной охраны (ЗСО)

4.2.1. Факторы, определяющие ЗСО

Дальность распространения загрязнения зависит от:

- вида источника водоснабжения (поверхностный или подземный);

- характера загрязнения (микробное или химическое);

- степени естественной защищенности от поверхности загрязнения (для подземного источника);

- гидрогеологических или гидрологических условий.

При определении размеров поясов ЗСО необходимо учитывать время выживаемости микроорганизмов (2 пояс), а для химического загрязнения – дальность распространения, принимая стабильным его состав в водной среде (3 пояс).

Другие факторы, ограничивающие возможность распространения микроорганизмов (адсорбция, температура воды и др.), а также способность химических загрязнений к трансформации и снижение их концентрации под влиянием физико-химических процессов, протекающих в источниках водоснабжения (сорбция, выпадение в осадок и др.), могут учитываться, если закономерности этих процессов достаточно изучены.

4.2.2. Определение границ поясов ЗСО подземного источника

Границы первого пояса ЗСО

Водозаборы подземных вод должны располагаться вне территории промышленных предприятий и жилой застройки. Расположение на территории промышленного предприятия или жилой застройки возможно при надлежащем обосновании. Граница первого пояса устанавливается на расстоянии не менее 30 м от водозабора – при использовании защищенных подземных вод и на расстоянии не менее 50 м – при использовании недостаточно защищенных подземных вод.

Граница первого пояса ЗСО группы подземных водозаборов должна находиться на расстоянии не менее 30 и 50 м от крайних скважин.

Для водозаборов из защищенных подземных вод, расположенных на территории объекта, исключающего возможность загрязнения почвы и подземных вод, размеры первого пояса ЗСО допускается сокращать при условии гидрогеологического обоснования по согласованию с центром государственного санитарно-эпидемиологического надзора.

К защищенным подземным водам относятся напорные и безнапорные межпластовые воды, имеющие в пределах всех поясов ЗСО сплошную водоупорную кровлю, исключающую возможность местного питания из вышележащих недостаточно защищенных водоносных горизонтов.

К недостаточно защищенным подземным водам относятся:

а) грунтовые воды, т.е. подземные воды первого от поверхности земли безнапорного водоносного горизонта, получающего питание на площади его распространения;

б) напорные и безнапорные межпластовые воды, которые в естественных условиях или в результате эксплуатации водозабора получают питание на площади ЗСО из вышележащих недостаточно защищенных водоносных горизонтов через гидрогеологические окна или проницаемые породы кровли, а также из водотоков и водоемов путем непосредственной гидравлической связи.

Граница второго и третьего поясов ЗСО

При определении границ второго и третьего поясов следует учитывать, что приток подземных вод из водоносного горизонта к водозабору происходит только из области питания водозабора, форма и размеры которой в плане зависят от:

- типа водозабора (отдельные скважины, группы скважин, линейный ряд скважин, горизонтальные дрены и др.);

- величины водозабора (расхода воды) и понижения уровня подземных вод;

- гидрогеологических особенностей водоносного пласта, условий его питания и дренирования.

Граница второго пояса ЗСО определяется гидродинамическими расчетами исходя из условий, что микробное загрязнение, поступающее в водоносный пласт за пределами второго пояса, не достигает водозабора [14].

Основным параметром, определяющим расстояние от границ второго пояса ЗСО до водозабора, является время «выживания» микробного загрязнения в потоке подземных вод к водозабору (Тм). При определении границ второго пояса Тм принимается по таблице 2.

Таблица 2. Время Тм для расчета границ 2-го пояса ЗСО

Граница третьего пояса ЗСО, предназначенного для защиты водоносного пласта от химических загрязнений, также определяется гидродинамическими расчетами. При этом следует исходить из того, что время движения химического загрязнения к водозабору должно быть больше расчетного Tx.

Tx принимается как срок эксплуатации водозабора (обычный срок эксплуатации водозабора 25 лет).

Границы этой области определяются гидродинамическим и балансовым расчетом. В потоке подземных вод вокруг водозабора формируется зона захвата [2, 3, 4]. Она ограничена нейтральной линией тока (НЛТ), внутри которой располагаются частицы воды рано или поздно достигающие водозаборных скважин. Вне зоны захвата частицы воды под влиянием естественного фильтрационного потока проходят мимо водозаборных скважин, т.е. никогда в них не попадают. Направим ось абсцисс вверх по потоку подземных вод с центром системы координат в центре водозабора. Тогда ось ординат пойдет перпендикулярно направлению потока (рис.4).

Рис.4. К расчету ЗСО-П

Математическое выражение для точек НТЛ в такой системе координат имеет вид [8, 12] :

где Х и У – координаты точек НЛТ, м; J₀– напорный градиент естественного потока подземных вод; Q – суммарный расход водозабора, м³/сут;

Для построения НЛТ можно ограничиться точками пересечения ее с осями х и у и определить асимптоту линии при х→∞

при у=0 Х_о = ;

при х=0 Y₀= ;

при х→ ∞ .

Последнее выражение может быть получено из условия (уравнение Дарси).

Далее необходимо определить область пласта внутри НЛТ, в пределах которой частицы воды попадут в водозаборные скважины за определенный период времени. Самоочищение подземных вод от бактериального загрязнения происходит за 100-400 суток, в зависимости от климатического района. Самоочищение от химических загрязнений происходит очень медленно, оно соизмеримо с расчетным периодом эксплуатации или превышает его. Поэтому расчет должен быть выполнен на два срока – 100-400 суток и 25 лет. Для определения размеров области пласта, из которой частицы воды за расчетный период попадут в скважину, используем балансовое соотношение (14), преобразуя его относительно радиуса:

.

Площадь зоны ограничений оконтурена НЛТ и окружностью радиуса R (заштрихованная площадь на рис.4). В том случае, если по абсолютной величине R меньше X₀, окружность радиуса R не пересекает НЛТ и граница ЗСО-II совпадает с этой окружностью.

В пределах зоны ограничений запрещается всякая деятельность, которая может привести к загрязнению подземных вод. Для грунтовых вод это всякое промышленное и гражданское строительство, а также сооружения отстойников, шламо- и хвостохранилищ, животноводческих комплексов. Существующие в пределах этой зоны жилые и хозяйственные объекты должны быть переоборудованы таким образом, чтобы исключалось попадание канализационных, сбросовых вод в грунтовые воды. На сельскохозяйственных угодьях запрещается использовать ядохимикаты, строго нормируется количество вносимых удобрений. Для напорных вод, естественным образом хорошо защищенных от попадания загрязнений с поверхности земли, вводятся ограничения на работы, связанные с вскрытием верхнего водоупорна, таким как бурение скважин, горные работы. Эти работы следует либо исключить совсем, либо проводить под строгим контролем и таким образом, чтобы исключалось загрязнение водоносного горизонта, на который сооружен водозабор.

Дата добавления: 2014-10-02; просмотров: 2302; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!