Искусственное восполнение подземных вод (ИВПВ)

ИВПВ позволяет увеличить производительность действующих водозаборов, создать их принципиально новые типовые компоновки, обеспечивающие значительное сокращение площадей отчужденных сельскохозяйственных земель, а также принимать рациональное решения при проектировании зон санитарной охраны водозаборов.

Возможность искусственного пополнения подземных вод определяется наличием источника пополнения и качеством воды, гидрогеологическими и климатическими условиями, особенностями строительства, и эксплуатации инфильтрационных сооружений. Наиболее целесообразно осуществлять искусственное пополнение запасов подземных вод в районах однородных в разрезе безнапорных водоносных горизонтов при небольшой мощности слабопроницаемых покровных отложений.

В состав сооружений ИВПВ входят сооружения для забора воды из источника пополнения, предварительной подготовки воды, системы подачи ее на инфильтрационные сооружения, собственно водозабора подземных вод и устройства для последующей их подготовки перед подачей потребителю. Основная особенность системы ИВПВ заключается в наличии инфильтрационных сооружений, которые разделяются на два основных типа: открытые (бассейны, каналы, площадки и др.) и закрытые (скважины, колодцы, галереи).

Наиболее распространенная типовая схема ИВПВ представляет собой один или несколько инфильтрационных бассейнов и водозабор подземных вод из скважин с одной или обеих сторон бассейна. Такого рода схема пополнения запасов подземных вод наиболее эффективна в водоносных горизонтах речных долин, при значительных градиентах потока подземных вод и неравномерном во времени выпадении атмосферных осадков; являющихся основным источником питания подземных вод.

При использовании в схемах ИВПВ закрытых инфильтрационных сооружений в качестве последних наиболее широко применяют скважины или шахтные колодцы. Различают поглощающие скважины, работающие в режиме свободного налива, нагнетательные скважины, в которые предусматривается закачка воды, и дренажно – поглощающие скважины: ими дренируют неэксплуатируемые верхние водоносные горизонты, воды которых переводятся в нижезалегающий эксплуатируемый водоносный горизонт при этом может пополняться фильтрацией речных вод или из открытых инфильтрационных сооружений.

Открытые инфильтрационные сооружения используют, как правило, для пополнения запасов подземных вод первого от поверхности земли водоносного горизонта, не имеющего покровных отложений или перекрытого слоями слабопроницаемых пород малой мощности. В качестве открытых инфильтрационных сооружений можно также использовать естественные и искусственные понижения рельефа (овраги, балки, староречья, карьеры, пруды), а также русла временных и постоянных водотоков. Инфильтрационные бассейны имеют, как правило, прямоугольную форму в плане и трапецеидальное (реже прямоугольное) поперечное и продольное сечение.

На крупных установках ИВПВ применяют бассейны шириной по дну 15-30м, длиной 200-400м и глубиной 1,5-2м (реже 3-4м). При наличии слабопроницаемых покровных отложений днища бассейнов врезают в хорошо фильтрующие породы на глубину не менее 0,5м. Общая глубина бассейна от днища до верха откоса должна превышать глубину его наполнения не менее чем на 0,5м. Инфильтрационные бассейны устраивают без загрузки дна, с песчаной загрузкой дна, с гравийной загрузкой дна, с загрузкой дна и укладкой дренажных труб.

Песчаную и гравийную загрузку дна предусматривают при устройстве бассейнов в гравийно-галечниковых отложениях. Толщина загрузки обычно составляет 0,5-0,8м.

Для бассейнов в среднезернистых и крупнозернистых песках с коэффициентом фильтрации от 10-20 до 60-80м/сут максимальные скорости инфильтрации обычно находятся в пределах 1-3м/сут, бассейны в мелкозернистых песках и супесях характеризуются минимальными скоростями инфильтрации – до 0,5м/сут. В гравийно – галечниковых породах скорости инфильтрации могут достигать значений 20-30м/сут и выше.

Инфильтрационные сооружения закрытого типа рекомендуется применять в том случае, когда на поверхности земли залегают относительно слабопроницаемые породы или при слоистом строении зоны аэрации. Эти сооружения преимущественно распространены в районах, где устройство и эксплуатация инфильтрационных бассейнов и других открытых сооружений крайне затруднены (например, в районах, где наблюдаются песчаные и пыльные бури и трудно гарантировать требуемое качество воды в открытых сооружениях или когда происходит их промерзание в зимнее время).

Наибольшее распространение получили вертикальные закрытые инфильтрационные сооружения: шурфы, шахтные колодцы и буровые скважины. Шурфы, как правило, устраивают диаметром до 4м и при глубине уровня грунтовых вод до 5м. Стенки шурфов крепят бетонными кольцами, а на дне укладывают фильтрующую загрузку [6].

Шахтные колодцы целесообразно устраивать, когда уровень грунтовых вод находят на глубине до 30м. Инфильтрация из шахтных колодцев, как и из шурфов, может происходить через дно, боковые стенки или одновременно через боковые стенки и дно.

Наибольшее распространение из всех закрытых инфильтрационных сооружений получили буровые скважины, которые по назначению и условиям эксплуатации можно подразделить на следующие типы: поглощающие скважины, обеспечивающие подачу воды после ее предварительной подготовки непосредственно в эксплуатируемый пласт; дренажно – поглощающие скважины, предназначенные для дренирования верхнего горизонта с подачей воды в нижний эксплуатируемый пласт или, наоборот, для перетока воды из нижнего напорного пласта в верхний безнапорный или менее напорный эксплуатируемый горизонт.

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА

Пример.1 Определить дебит шахтного колодца, эксплуатирующего безнапорные воды и работающего одновременно стенками и дном. Если мощность водоносного горизонта Н=6м, коэффициент фильтрации эксплуатируемого водоносного горизонта К_ф= 1 м/ч, понижение уровня воды в колодце S=1,5м, радиус колодца r=1м, расстояние от дна колодца до водоупора T=3м, радиус действия колодца R=60м.

Решение: предварительно определяем высоту пониженного уровня подземных вод над дном колодца:

Затем по формуле (3.6) подсчитываем дебит колодца:

Пример.2 Запроектировать подземный водозабор из скважины. Если глубина скважины до подошвы водоносного слоя Н_скв=84м, глубина расположения статического уровня воды от устья скважины 11м, толщина водоносного слоя 20м, коэффициент неоднородности зерен песка 2, Д_{50%песка}=0,27мм, коэффициент фильтрации К_ф=25м/сутки, удельный дебит скважины q₀=4,1м³/час на 1п.м., максимальное суточное водопотребление Q_{макс.сут.}=21291м³/сутки.

Решение: учитывая собственные нужды водопровода, определяем расчетный расход воды, подаваемой водозабором:

Часовая потребность в воде составит:

,

где Т_скв. – время работы скважин.

Используя ситуационный план местности, выбираем площадку для размещения водозаборных скважин. Изучив геологический разрез скважины, выбирают водоносный пласт и определяют все его характеристики (q; h_с; Д_50%; М_в.п.).

В зависимости от суммарной мощности залегающих пород над подошвой водоносного пласта ∑М_i и с учетом заглубления скважины на 1,0м в его подошву, глубина скважины определяется по формуле:

Напор воды в скважине будет равен:

Скважина принята совершенная, напорная. Так как водоносный пласт представлен среднезернистым песком, то для нормальной работы скважины проектируется трубчатый фильтр с водоприемной поверхностью из сеток квадратного плетения. Схема конструкции фильтра дана на рис.1

Для расчета диаметра каркаса фильтра определяем способом бурения скважины. Так как скважина имеет глубину до ста метров, принимаем ударно – канатный способ бурения, используя станок УГБ – ЗУК, с начальным диаметром бурения 600мм.

Рабочая длина фильтра принимается равной: L_ф=0,8М_вп=0,8∙20=16м. Полная длина фильтровой колонны будет равна: L_ф= L_ф+L_отст+L₃=16+2+5=23м, где L_отст=2,0м – длина отстойной части фильтровой колонны; L₃=5м – длина запаса фильтровой колонны для крепления ее в эксплуатационной трубе.

Рис.1Схема фильтра скважины.

1–трубчатый каркас с отверстиями круглого сечения;

2–стержни опоры Ø4…6мм;

3–проволочная подмотка Ø2…4мм;

4–сетка квадратного плетения t_с=1мм.

Рис.2Схема конструирования водозаборной скважины

1-обсадная труба;

2-эксплуатационная обсадная труба;

3-фильтровая колонна;

4-сальник.

Исходя из соотношения обсадных труб при ударно – канатном бурении принимаем, что наибольший возможный диаметр фильтра будет:

Д_ф=Д_к+2t_с+2d_обм+2d_ст,

Если принять, что d_обм=2мм; d_ст=4мм; t_с=1мм, то

Д_ф=325+2+1+2∙2+2∙4=339мм, что соответствует допустимым значениям (50…100мм).

По принятым конструктивным параметрам скважины и параметрам водоносного пласта определяется возможный дебит совершенной скважины:

где ℓ_ф – длина рабочей водоприемной части фильтра в пластах с мощностью более 10м принимают равной (0,5…0,8)m.

V_ф – допустимая скорость фильтрации при входе воды в фильтр, м/сут.

Для сетчатых фильтров V_ф определена по формуле С.К. Абрамова.

.

При полученном отборе воды из скважины уровень воды в ней понизится на величину S_ф:

,

При нормальной работе допустимый уровень воды в скважине может понизиться на:

, м

при h_н=2м; h_ф=2м

Количество рабочих скважин будет определяться исходя из полного расхода водозабора и возможностей одной скважин:

Количество резервных скважин принимаем 2 (для I категории надежности подачи воды).

Общее количество скважин:

Уточненный расход одной скважины составит:

Проектируемые скважины располагаются на выбранной площадке водозабора так, чтобы расстояние между ними было по возможности минимальное, но при этом исключалась возможность их взаимодействия. Величина расстояния определяется радиусом влияния скважин R≈300м (рис.).

Расход насоса равен часовой производительности скважины:

Q_{нас.скв.}=128м³/час=35,6л/с.

Напор насосов определяется по формуле (рис.):

где Н_г – геометрическая высота подъема воды, м (от статического уровня воды в скважине до максимального уровня воды в сборном РЧВ); ∑h – суммарные потери напора от самой удаленной скважины до сборного РЧВ; h_в.т. – потери напора в трубах насоса и в коммуникациях насосной станции, принимаемые 3…5м.

Рис.3 Схема расположения скважин на площадке водозабора

1 – скважина; 2 – очистная станция; 3 – резервуар чистой воды

Определение ∑h выполняется в табличной форме.

Определение потерь напора от самой удаленной скважины (1) до сборного РЧВ. Расчет сведен в таблицу №1.

Таблица №1

Наименование участков	Длина участка, м	Расход по участку, л/с	Диаметр участка, мм	Материал труб, ГОСТ	Скорость движения воды по участку, м/с	Потери напора по длине, м	Полные потери напора, 1,1∙hℓ
1-2 2-3 3-4 4-5 5-6   всего ∑h		35,6 71,2 106,6 142,4 124,6		Ст10704 Ст10704 Ст10704 Ст10704 Ст10704	1,03 1,34 1,02 1,05 1,2	5,4 6,6 2,6 2,3 4,6	5,9 7,26 2,83 2,52 5,1   23,6

Рис.4 Схема определения напора насоса скважины:

1 – скважина; 2 – насос скважины; 3 – напорный трубопровод;

4 – очистная станция; 5 – сборный РЧВ

Пример.3 Определить дебит горизонтального водозабора несовершенного типа, заложенного нормально к безнапорному потоку подземных вод. Если напор на расстоянии ℓ₂=250м вверх по потоку Н₂=10м, напор на расстоянии ℓ₁=200м вниз по потоку Н₁=9м, напор воды в водозаборе, считая от условной линии А-Б h₀=0м, коэффициент эксплуатируемого водоносного горизонта К_ф= 1 м/ч, расстояние от водоупора до линии А-Б Т=5м, длина водозабора L=250м.

Решение: предварительно находим L^I=ℓ₁+ℓ₂=200+250=450м.

h₁=H₁-T=9-5=4м; h₂=H₂-T=10-5=5м.

Сначала определяем величины q₁, q₂, q₃:

;

;

Затем находим:

Рис.5 Расчетная схема притока воды к горизонтальному несовершенному водозабору, эксплуатирующему безнапорный водоносный пласт: 1 – статический уровень; 2 – горизонтальный водозабор; 3 – депрессионная кривая; 4 – водоупор; 5 – водоносный пласт.

Пример.4 Определить приток воды к несовершенной и совершенной дренам при следующих исходных данных: коэффициент фильтрации водоносного горизонта К_ф=12,5м³/сут, ширина дрены b=0,8м длина дрены ℓ=55м, глубина воды в дрене h_д=1м, понижение уровня воды S=3м, радиус влияния R=350м, расстояние от низа дрены до водоупора Т=5м.

Решение: Определяем приток воды к несовершенной дрене по формуле:

где С – расстояние от водоупора до отметки уровня воды в дрене С=Т+h_д=5+1=6м.

Тогда

Приток воды к совершенной дрене: ,

где h₀=h_д-0,2=1-0,2=0,8м, Н₀=h₀+S=0,8+3=3,8м.

Q=

Как видно из полученных данных, несовершенная дрена более эффективна, чем совершенная. Это необходимо учитывать при проектировании горизонтальных водосборов.

Рис.6 Схема притока воды к горизонтальной несовершенной дрене с наклонной поверхностью подземного потока.

Рис. 7 Схема притока воды к совершенной дрене.

Пример.5 В напорном водоносном пласте мощностью m=5м на расстоянии b=75м от берега водохранилища проектируется лучевой водозабор берегового типа. Коэффициент фильтрации водоносных пород К_ф=50м³/сут. Величина максимально возможного понижения уровня воды в водосборном колодце водозабора S=9,5м. Из производственных соображений радиус горизонтальных скважин принят r₀=0,1м, число лучей N_б=4, длина лучей ℓ=30м. Требуется определить производительность лучевого водозабора.

Решение: Расчет фильтрационного сопротивления ведем по формуле (5.9). В данном случае

; ;

.

Кроме того, по графикам при ℓ/m=30/5=6 и b/m=75/5=15 имеем γ=0,57; η=4,5.

Подставляя найденные значения параметров в формулу (5.9), получим

По соотношению (5.8) при 1/R_п=0 найдем производительность лучевого водозабора:

Определим теперь гидравлические потери напора в лучевых скважинах. По соотношению (5.21) имеем:

Гидравлические потери в трубах в данном случае относительно невелики (2-3% от понижения уровня воды в водосборном кольце S). Поэтому корректировку расхода Q, учитывающую эти потери, можно не производить.

Пример. Проектируется лучевой водозабор в подрусловом водоносном пласте мощностью m=6м, коэффициент фильтрации водоносных пород К_ф=25м³/сут. Величина максимально возможного понижения уровня воды в водосборном колодце водозабора S=6м. Из производственных соображений радиус горизонтальных скважин принят r₀=0,1м, число лучей N_п=5, θ=36⁰, длина лучей ℓ=30м. Заглубление лучей под дно реки z=3м. Требуется определить производительность лучевого водозабора.

Решение: По формуле (5.16) имеем

по соотношению (5.18) получим

В соответствии с равенством (5.15) получим

Применяя теперь общую расчетную зависимость (5.8) при 1/R_б=0, найдем

Гидравлические потери напора в трубах определяем по (5.21):

Скорректированное значение величины производительности водозабора получим по формуле (5.8), подставив в нее вместо S понижение уровня, уменьшенное на величину гидравлических потерь S-h_ω:

Как видим, в данном случае учет гидравлических потерь напора по длине лучевых горизонтальных скважин в отличие от условий предыдущего примера дает более существенное снижение производительности водозабора.

Приложение 1

Дата добавления: 2015-12-07