Основы методики расчета зон санитарной охраны

Вопросы изучения структуры фильтрационного потока к водо­забору, оценки времени движения и концентрации загрязнений в водоносных горизонтах, в связи с прогнозом качества подземных вод и обоснованием ЗСО, рассматривались в работах [1, 3 — 5, 7, 9 — 11, 16, 17 и др.].

Особенности фильтрационного потока к водозаборным соору­жениям рассмотрим на примере работы одиночного водозабора в однородном, неограниченном по простиранию водоносном гори­зонте при наличии естественного потока подземных вод (рис. 13).

Область фильтрации к водозаборному сооружению может быть разделена на две части. Внутренняя область, прилегающая к водозабору, отличается тем, что траектория движения частиц-воды, содержащихся здесь, или линии тока подземных вод закан­чиваются на водозаборе. Во внешней области траектории движе­ния частиц воды или линии тока огибают водозаборное сооруже­ние. Внутреннюю зону можно назвать областью питания подзем­ного водозабора, так как она содержит объемы воды, непрерывна поступающие к водозабору (питающие водозабор) и извлекаемые им на поверхность в процессе эксплуатации.

Область питания водозабора отделяется от внешней части области фильтрации раздельной, или нейтральной, линией тока (траекторией движения). На этой линии располагаются одна или несколько важных с точки зрения охраны водозаборов раздель­ных, или критических, точек N. Вблизи этих точек образуется за­стойная зона, а в самих точках N скорость движения воды равна нулю.

Область питания следует отличать от области влияния водоза­бора, т. е. части водоносного пласта, в пределах которой эксплуа­тация водозабора вызывает практически ощутимые понижения; уровней подземных вод. Прежде всего, эти области могут суще­ственно отличаться по расположению и площади. Например, точ­ки А и В на рис. 13 расположены вблизи водозабора и поэтому могут находиться в области влияния водозабора, но в то же вре­мя они находятся за пределами области его питания. Наоборот, точки С и D на рис. 13 располагаются внутри области питания, но настолько далеко от водозабора, что его влияние на положение уровней подземных вод здесь может быть практически незаметно. В отличие от области влияния, размеры которой в большинстве случаев не зависят от естественного потока подземных вод, форма и размеры области питания водозабора в значительной степени определяются направлением и скоростью естественного потока.

Рис. 13. Схема фильтрации подземных вод к водозабору:

Линии тока; 2 — нейтральная линия тока; 3 — граница ЗСО; 4 — водозабор; 5 — область за­хвата; 6 — область питания; 7 — направление естественного потока подземных вод; S — раздельная точка, q — естественный поток подземных вод; R и г — максимальные расстоя­ния по оси х от водозабора до верхней и нижней границ области захвата на время Т; L — длина ЗСО; Id — ширина 3GO

Из сказанного ясно, что зона санитарной охраны должна рас­полагаться в пределах области питания водозабора. Для дальней­шего уточнения положения границ этой зоны выделим другой важный элемент фильтрационного потока — область захвата во­дозабора (см. рис. 13), которая представляет собой часть области питания. Все частицы воды, располагающиеся внутри области за­хвата, достигают водозабора за тот или иной конечный расчет­ный промежуток времени Т. В плане область захвата одиночного водозабора на каждый момент времени приближенно может быть изображена в виде эллипса, вытянутого вдоль потока подземных вод. В процессе эксплуатации водозаборного сооружения область, непрерывно увеличивается. Предельное ее положение, достигаемое при теоретически бесконечном времени, устанавливается по раз­дельной (нейтральной) линии.

Как уже отмечалось, границы второго и третьего поясов зоны санитарной охраны назначаются таким образом, чтобы имеющие­ся или возможные загрязнения подземных вод не могли поступить в водозабор в течение намеченного срока. Исходя из этого, задачей гидрогеологических расчетов для обоснования зон санитарной -охраны является определение основных размеров и конфигурации области захвата водозабора, соответствующей расчетному перио­ду Т.

Как правило, область захвата водозабора имеет сложные очер­тания, что зависит от типа водозаборного сооружения, схемы раз­мещения эксплуатационных скважин и гидрогеологических усло­вий в районе расположения водозабора. Если реальная гидрогео­логическая обстановка может быть схематизирована по основным расчетным показателям (обычно это возможно в относительно простых гидрогеологических условиях, а также на ранних стадиях проектирования), то область захвата водозабора и другие иско­мые величины для обоснования проекта ЗСО водозаборов подзем-:ных вод можно определить путем аналитических расчетов. При этом схематизируются не только гидрогеологические условия, но;и сами водозаборы; обычно они представляются в виде одиноч­ных или групповых сосредоточенных водозаборов («больших ко­лодцев») или вытянутых линейных водозаборных систем.

Для проведения практических расчетов, кроме того, целесооб­разно упростить и конфигурацию зоны санитарной охраны водоза­борных сооружений. Наиболее просто ее представить в виде пря­моугольника, полностью включающего область захвата. При этом несколько завышаются размеры охраняемой территории и обеспе­чивается некоторый запас в инженерных расчетах.

Протяженность R зоны санитарной охраны вверх по потоку подземных вод от водозабора устанавливается по максимальному расстоянию от водозабора до верхней границы области захвата на расчетный промежуток времени Т.

Вниз по потоку подземных вод протяженность г зоны сани­тарной охраны водозаборов определяется расстоянием от водоза­бора до нижней границы зоны захвата водозабора по оси х на тот же расчетный момент времени Т.

Таким образом, общая длина зоны санитарной охраны водоза­бора L составит:

L=R+r. (1)

Ширина зоны санитарной охраны 2d на основании сказанного принимается равной максимальной ширине эллипса, ограничива­ющего область захвата водозабора (см. рис. 13). Расчетное время Т устанавливается в зависимости от вида возможного загрязнения водоносного пласта.

Для защиты водозабора от устойчивых химических загрязне­ний при проектировании третьего пояса ЗСО величина Т_х опреде­ляется в соответствии со сроком эксплуатации водозабора; при проектировании водозаборов на длительный срок Т_х обычно при­нимается равным 25 — 50 лет ((1 — 2)-10⁴ сут). При проектирова­нии водозабора на неограниченный срок эксплуатации третий по­яс ЗСО рассчитывается на 25 лет, а по истечении этого срока про­изводится уточнение границ ЗСО с учетом данных эксплуатации водозабора, перспектив его дальнейшего развития, химического состава отбираемой воды и хозяйственной обстановки в прилега­ющем районе.

Для защиты водозабора от бактериальных загрязнений разме­ры второго пояса зоны санитарной охраны устанавливаются исхо­дя из времени выживаемости бактерий Т_м, составляющего 100 — 400 сут.

В безнапорных водоносных горизонтах, а также в неглубоко залегающих напорных пластах, перекрытых сверху слабопрони­цаемыми отложениями, при определении границы зоны санитар­ной охраны от бактериальных загрязнений целесообразно учиты­вать время to просачивания загрязненных вод по вертикали до ос­новного эксплуатируемого пласта, т. е. принимать

T=T_u — t₀. (2)

Величина t₀ может быть приближенно определена по следую­щим формулам [1]:

а) при малой интенсивности е инфильтрации загрязненных вод: (е<k₀), т. е. когда инфильтрация происходит с неполным насыще­нием пор водой:

(3)

б) при значительной интенсивности инфильтрации (е>k₀), т. е. при инфильтрации с полным насыщением пор:

t₀=n₀m₀/k₀; (4)

в) при двух-трехслойном строении горизонта:

(5)

где k₀ — коэффициент фильтрации пород зоны аэрации; п₀ и т₀ — пористость и мощность пород над эксплуатируемым горизонтом: (в первых двух случаях — это породы зоны аэрации, а в третьем — породы верхнего слабопроницаемого слоя); ДR — разность уров­ней воды основного и соседнего, питающего слоя.

Таким образом, задача гидрогеологического обоснования гра­ниц зоны санитарной охраны водозаборных сооружений в при­ближенной постановке сводится к определению параметров R (протяженность ЗСО вверх по потоку подземных вод); г (протя­женность ЗСО вниз по потоку) и d (половина общей ширины ЗСО). При этом в качестве исходных данных для расчета ЗСО должны быть известны длительность расчетного интервала Т, а также величины скоростей и направление движения подземных: вод в условиях эксплуатации водозаборных устройств.

Как следует из сказанного выше, задача выявления опасности загрязнения водозаборного сооружения сводится к исследованию траекторий движения частиц воды, располагающихся в началь­ный момент времени на различных участках области фильтрации подземных вод. Дифференциальные уравнения, количественно ха­рактеризующие закон движения или траектории движения частиц воды при плановой двухмерной фильтрации, имеют вид

(6)

где х и у — непрерывно изменяющиеся во времени t декартовы координаты движущейся точки; v_x и v_y — проекций вектора дей­ствительной скорости течения воды соответственно на оси х и у.

Составляющие v_x и v_y в системе уравнений (6) могут быть -найдены аналитически, путем теоретического решения соответст­вующей гидродинамической задачи или численно на основе реше­ния краевой фильтрационной задачи на аналоговых устройствах или с использованием ЭВМ.

Для определения максимальной протяженности ЗСО вверх по потоку подземных вод от водозабора R уравнения (6) должны ре­шаться при следующих условиях:

где x ₀ и у₀ — координаты точек водозабора.

Первое из условий (7) означает, что отсчет времени начинает­ся сразу для всех точек, располагающихся на прямой x=R. Вто­рым условием определяется длительность расчетного интервала Т, необходимого для перемещения частиц воды от сечения R до во­дозабора. Третье условие (7) дает возможность выбрать из всех точек на прямой x=R ту, которая достигнет водозабора за наи­меньшее время (функция Т имеет экстремум).

При определении расстояния г выражение (7) несколько из­меняется:

Ширина ЗСО также может быть найдена решением системы (6). При этом граничные условия принимают вид:

y = d, t = 0; х = х₀, У = У₀, t =Т. (9)

Систему дифференциальных уравнений (6) удобно использо­вать для численного определения параметров ЗСО. В дальнейшем таким способом построены таблицы численных значений R, r и d для наиболее сложных гидрогеологических условий работы водо­заборных сооружений. Решение выражения (6) при этом проводи­лось по способу «предиктор — корректор», описанному Д. Мак Кракеном и У. Дорном в 1977 г.

Для получения аналитических выражений, определяющих па­раметры ЗСО, в некоторых сравнительно простых случаях филь­трационного потока к водозабору (симметричная зона захвата, простые краевые условия) удобно исследовать линии тока частиц воды, т. е. линии, касательные к которым в каждой точке показы­вают направление движения воды. При этом используется то обстоятельство, что траектории течения и линии тока в большинстве практических случаев совпадают. В частности, это имеет место при установившейся или квазиустановившейся фильтрации под­земных вод, когда скорости движения воды во всех точках пласта не изменяются как по величине, так и по направлению. При не­стационарной фильтрации в общем случае линии тока и траекто­рии движения могут не совпадать. Однако здесь можно выделить некоторые схемы чисто нестационарной фильтрации, когда такое совпадение будет иметь место. Например, случай работы водоза­бора в неограниченном пласте без естественного потока и другие схемы, когда вектор скорости движения частиц воды изменяется только по величине, но направление движения воды в процессе эксплуатации водозабора остается неизменным.

Уравнение линий тока можно получить из следующего диффе­ренциального соотношения (двухмерная плановая фильтрация):

(10)

Для плоских подземных потоков, следующих линейному зако­ну фильтрации, для исследования картины движения частиц воды по линиям тока можно применить аппарат функции комплексного переменного. При этом вводится в рассмотрение функция тока Ф, которая может быть найдена из известных условий Коши — Ри-мана:

(11)

где потенциал скорости фильтрации ф определяется по формуле

(12)

Н — напор подземных вод.

В настоящее время для некоторых простейших фильтрацион­ных схем получены аналитические выражения для функций ф и ty [1, 3, 9 — 11, 16]. Используя их, можно найти расчетные зависи­мости, определяющие время движения отдельных точек воды до водозабора:

(13)

где х, у — начальные координаты точек; xq, y_Q — координаты во­дозабора.

Дата добавления: 2015-07-18