Водоснабжение и инженерная мелиорация (стр. 2 )

Гидравлический метод подсчета запасов основан на использовании эмпирических зависимостей, получаемых по результатам опытных одиночных откачек воды из скважин при разных понижениях уровня воды в них. Наиболее эффективен этот метод при подсчете запасов подземных вод для условий стационарной фильтрации (например, при наличии границы обеспеченного питания – реки). Как правило, линейная зависимость расхода скважины от понижения уровня воды в ней нарушается за счет перехода в прискваженной зоне ламинарного движения воды в турбулентное. В связи с этим, связь дебита скважины и понижения уровня в ней описывается квадратичной зависимостью:

,

где а и b – эмпирические коэффициенты, определяемые по результатам опытной откачки.

Пример 4. Из водоносного горизонта аллювиальных отложений, особенности геолого-гидрогеологических условий которого подробно изложены в примере 3, проведена опытно-эксплуатационная откачка воды из скважины при трех ступенях понижения уровня воды в ней. Результаты опытного опробования скважины следующие:

Ступень откачки	1-я	2-я	3-я
Расход Q, л/с	2,0	5,0	8,0
Понижение S, м	0,6	2,0	4,0

Оценить эксплуатационные запасы подземных вод при работе одной скважины с расходом 1000 м3/сут (11,6 л/с).

Решение. Результаты полевого эксперимента позволяют использовать гидравлический метод подсчета эксплуатационных запасов подземных вод. По результатам опытного опробования построим график зависимости Q = f(S) (рис.2, а). Он показывает отсутствие прямолинейной зависимости между расходом откачки и понижением воды в скважине. В связи с этим изменение расхода скважины от понижения уровня в ней можно описать зависимостью типа S = aQ + bQ2; для определения эмпирических коэффициентов а и b построим график зависимости S/Q = a + bQ, который имеет вид прямой линии (рис.2, б).

Найдем искомые параметры по графику. Коэффициент а определяется как отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат, а = 0,23, а коэффициент b – как тангенс угла наклона прямой:

 = 0,033.

Расчетное понижение уровня воды при работе скважины с эксплуатационным расходом 11,6 л/с:

 = 7,0 м.

Так как Sр < Sдоп = 15 м, то эксплуатационные запасы в количестве 1000 м3/сут будут обеспечены за счет работы одиночного водозабора.

Задание 4. С учетом данных примера 4 решить задачу со следующими исходными данными:

Вариант	1	2	3	4	5
Ступень откачки:
1-я	1,5 1,0	1,0 0,5	3,0 1,0	1,8 1,0	3,0 2,0
2-я	5,0 3,5	3,8 2,5	7,8 3,0	4,0 2,2	5,0 3,5
3-я	6,0 4,5	9,9 5,5	12 5,5	10 6,0	6,6 5,0
_________________ Примечание. В числителе – расход Q в литрах в секунду, в знаменателе – понижение S в метрах.

2.2. Особенности гидрогеологических расчетов

линейных (инфильтрационных) водозаборов

Хозяйственно-питьевое водоснабжение населенного пункта может быть обеспечено и за счет грунтовых вод речных долин путем устройства так называемых береговых (инфильтрационных) водозаборов. При работе таких водозаборных сооружений эксплуатационные запасы продуктивного водоносного горизонта формируются за счет привлекаемых ресурсов со стороны поверхностного водотока (реки).

При проведении аналитических расчетов, связанных с работой водозаборных сооружений подобного типа, важное значение приобретает качественное выполнение гидродинамической схематизации участка водозабора. При этом необходимо учитывать расстояние от водозаборного ряда до границы коренного берега долины реки, протяженность самого водозаборного ряда и расстояние от него до реки.

Границей влияния прибортовой части речной долины на работу водозабора можно пренебречь, если ее коренной берег удален от водозабора на расстояние, более чем в 2 раза превышающем расстояние от водозабора до реки. При невыполнении этого условия (узкая речная долина) для аналитических расчетов может быть использована типовая гидродинамическая схема пласт – полоса с разнородными границами (постоянный напор на реке и нулевой расход в прибортовой части долины).

В условиях полуограниченного пласта с контуром постоянного напора водозаборные сооружения обычно задаются в виде линейного ряда скважин, располагающихся параллельно руслу реки. При большой длине водозаборного ряда, когда выполняется условие lр/l < 1 (здесь lр – расстояние от ряда скважин до реки; l – длина водозаборного ряда), при одинаковых расходах скважин Qс и расстояниях между скважинами ряда 2s понижение уровня подземных вод в каждой скважине водозаборного ряда Sc может быть рассчитано по формуле Маскета – Лейберзона [3]:

, (7)

где h и K – средняя мощность и коэффициент фильтрации пород водоносного горизонта; rc – радиус скважин водозаборного ряда.

Если линейный ряд из n скважин общей производительностью Qсум имеет ограниченную длину (отношение lр/l ³ 1), то расчетное понижение в наиболее нагруженной скважине водозабора (в центре ряда) можно определить по формулам с использованием метода зеркальных отражений в сочетании с методом сложения течений (см. пример 3).

Заметим, что при несовершенной связи водоносного горизонта с рекой расстояние от реки до водозаборного ряда должно увеличиваться на величину дополнительного фильтрационного сопротивления ложа реки DL, предварительно определяемую по результатам опытно-фильтрационных работ (например, режимных наблюдений, проводимых в период паводка на реке).

Остановимся на некоторых особенностях гидродинамических расчетов берегового линейного водозабора, когда длина водозаборного ряда превышает расстояние от ряда скважин до реки:

1. При проектировании водозабора важно оценить пропускную способность русловых отложений с целью проверки обеспеченности проектной производительности водозабора. Подобная оценка проводится по зависимости

, (8)

где q – удельный расход речных вод, фильтрующихся через русловые отложения (через 1 м длины реки); h0 – средняя высота столба (глубина) воды в реке; K0 и m0 – коэффициент фильтрации и мощность русловых отложений; 2b – ширина русла реки.

2. Длина водозаборного ряда l должна быть такой, чтобы не произошло отрыва уровня подземных вод от дна реки:

 ³ Qобщ/q, (9)

где Qобщ – суммарная производительность водозабора.

3. Число скважин водозаборного ряда рассчитывается с учетом проектной производительности всего водозабора Qобщ и дебита одной водозаборной скважины Qс, определяемого по результатам разведочных работ:

(10)

4. Расстояние между скважинами водозаборного ряда

2s = l/(n - 

5. Если эксплуатационные запасы подземных вод, определяемые по формуле (7) обеспечены, т. е. выполняется условие Sр < Sдоп, то возможно сокращение общего проектного числа эксплуатационных скважин. Чтобы оценить реальное их число, следует предварительно определить максимально возможный расход эксплуатационной скважины Qmax с учетом величины Sдоп:

. (12)

Тогда уточненное количество скважин водозаборного ряда

nу = Qобщ/Qmax. (13)

6. С учетом того, что эксплуатационные запасы береговых водозаборов обеспечиваются за счет привлекаемых ресурсов (за счет речных вод), то при проектировании таких водозаборов следует провести оценку возможного бактериального загрязнения подземных вод, отбираемых эксплуатационными скважинами. По нормативным данным время, обеспечивающее отмирание болезнетворных бактерий (при их продвижении от реки до водозабора), составляет 200 суток; при работе же берегового водозабора следует брать двойной запас (400 суток). Время продвижения речных вод к водозабору при известной величине активной пористости пород горизонта nа можно оценить по схеме поршневого вытеснения [3]:

, (14)

где I – уклон потока подземных вод (гидравлический градиент) со стороны реки к водозабору в период полной его нагрузки.

Если расчетная величина t > 400 суток, то бактериального загрязнения воды в эксплуатационных скважинах (за счет речных вод) не произойдет. При загрязнении же подземных вод (t < 400 суток) необходимо предусмотреть методы очистки откачиваемой воды от микробиологического загрязнения (например, путем ее хлорирования или озонирования).

Пример 5. Для водоснабжения поселка городского типа предполагается использовать грунтовые воды речной долины, сложенной крупнозернистыми аллювиальными песками. Средняя глубина воды в реке h0 = 1 м, ширина русла реки 2b = 100 м. Русловые отложения, кольматирующие ложе реки, имеют мощность m0 = 1 м, а их фильтрационные способности характеризуются величиной коэффициента фильтрации K0 = 0,03 м/сут. Средняя мощность продуктивного водоносного горизонта h = 20 м. Предполагается, что все скважины водозаборного ряда оборудованы сетчатыми фильтрами, установленными на эксплуатационной колонне диаметром 400 мм, и будут работать с расходом Qс = 250 м3/сут. По данным опытно-фильтрационных и опытно-миграционных работ, проведенных на участке водозабора, коэффициент фильтрации песков горизонта K = 15 м/сут, активная пористость na = 0,2. Расстояние от реки до водозаборного ряда 200 м, до коренного берега 2000 м. Предполагается, что средний уклон потока грунтовых вод со стороны реки к водозабору не превысит 0,004 (по опыту эксплуатации водозабора в аналогичных условиях на соседнем участке). Потребное количество воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения поселка Qсум составляет 5760 м3/сут (см. пример 1).

Требуется:

1. Оценить максимальную пропускную способность русла реки при работе водозабора.

2. Найти длину водозаборного ряда, число водозаборных скважин и определить расстояние между скважинами ряда.

3. Выбрать метод и формулу для подсчета эксплуатационных запасов подземных вод.

4. Определить максимальную возможную величину водоотбора из одной скважины водозаборного ряда.

5. Рассчитать минимально возможное количество скважин водозаборного ряда

6. Рассчитать время продвижения речных вод к водозабору (по схеме поршневого вытеснения) и выяснить необходимость очистки подземных вод от бактериального загрязнения.

Решение. 1. Максимальная пропускная способность русла реки при работе водозабора по формуле (8)

 = 6 м2/сут на 1 м длины реки.

2. Длина водозаборного ряда по формуле (9)

l = 5760/6 = 960 м,

необходимое число скважин по формуле (10)

n = 5760/250 = 23 скважины,

расстояние между скважинами ряда по формуле (11)

2s = 960/23 = 42 м.

3. Так как длина самого водозаборного ряда намного превышает расстояние от реки до линии водозабора, то для подсчета эксплуатационных запасов (определения понижения в скважинах ряда) привлекаем формулу Маскета – Лейберзона (7)

 = 5 м.

Расчетное понижение в скважинах при работе линейного водозабора меньше допустимого (Sдоп = 0,5h = 10 м), следовательно, потребное количество воды для водоснабжения населенного пункта будет обеспечено.

4. С учетом величины Sдоп по формуле (12) можно рассчитать максимально возможный расход воды, откачиваемой из скважины водозабора:

 = 423 м3/сут.

5. Минимально возможное количество скважин водозабора согласно формуле (13)

nmin = 5760/423 = 14 скважин,

т. е. появляется возможность уменьшить первоначально планируемое число скважин на 9 скважин.

6. Время продвижения речных вод к водозабору по формуле (14)

667 суток.

Так как расчетное время прихода речных вод к линейному водозабору превышает нормативное время выживаемости болезнетворных бактерий при их движении по водоносному горизонту (400 суток), то бактериального загрязнения подземных вод не произойдет и очистка воды путем ее хлорирования или озонирования не потребуется.

Задание 5. Решить предложенную в примере 5 задачу, учитывая потребное количество воды для водоснабжения поселка городского типа (см. пример 1) и следующие данные:

Вариант	1	2	3	4	5	6
K, м/сут	10	11	12	13	14	15
Qс, м3/сут	200	230	240	250	260	270

2.3. Расчет фильтров водозаборных скважин

Для использования подземных вод хозяйственно-питьевого назначения большое значение имеют выбор и расчет фильтров водозаборных скважин. Фильтр является основным элементом конструкции водозаборной скважины и его назначение заключается в обеспечении устойчивости водоприемных стенок скважины, исключении ее пескования. Он должен также обеспечивать приток очищенной воды, иметь малые гидравлические сопротивления, обладать достаточной прочностью и коррозирующей стойкостью. Наиболее часто при оборудовании водозаборных скважин привлекаются сетчатые и гравийные фильтры.

Сетчатые фильтры (галунного, киперного или квадратного сечения) изготовляются из некоррозирующего материала (меди, латуни, нержавеющей стали) и устанавливаются в водозаборных скважинах, оборудованных на водоносные горизонты, сложенные песками, гравийно-галечниковыми породами с песчаным заполнителем. К гравийным относят фильтры, у которых поверхность, контактирующая с породой, состоит из искусственно вводимого гравия, расположенного вокруг опорных фильтровых каркасов (сетчатых фильтров).

Использование засыпных гравийных фильтров позволяет увеличить продолжительность работы водозаборных скважин за счет увеличения размера фильтра скважины, улучшения фильтрационных свойств пород в прифильтровой зоне уменьшения входных скоростей поступления воды в скважину.

Засыпные фильтры создаются на забое скважины и в зависимости от гранулометрического состава пород могут быть с однослойной или многослойной засыпкой. Толщина обсыпки должна быть не менее (5¸10)d50 (здесь d50 – средний диаметр гравия). Размер гравия выбирается из соотношения d50/d50 = 8¸12 (здесь d50 – средний диаметр зерен песка).

При мощности водоносного горизонта меньше 10 м длина рабочей части фильтра lp принимается равной мощности водоносного горизонта, при большей мощности горизонта она может быть определена по формуле:

, (15)

где Q – проектный дебит, м3/сут; dф – диаметр фильтра, м; v – допустимая входная скорость фильтрации воды, м/сут.

Допустимая входная скорость при поступлении воды в сетчатый фильтр

,

где k – коэффициент фильтрации пород водоносного горизонта, м/сут.

Для фильтра с гравийной обсыпкой

. (16)

Водопропускная способность фильтра Qпроп должна быть не меньше запроектированного дебита Q, т. е.

Qпроп = vF > Q , (17)

где F – рабочая площадь фильтра, м2.

При скважности фильтра более 25 % в качестве F принимается вся его наружная боковая поверхность, при меньшей скважности – площадь отверстий каркаса фильтра.

Задание 6. Для исходных данных примеров 2 и 5 рассчитать длину сетчатых фильтров с гравийной обсыпкой, средний диаметр используемого гравия, ширину гравийной обсыпки и водопропускную способность фильтра.

3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ И ВОДОВОДОВ

Гидравлические расчеты водопроводных сетей и водоводов сводятся к определению потерь напоров в них и диаметров труб на отдельных участках сети. Специфика подобных расчетов зависит от конфигурации водопроводных сетей (тупиковых или кольцевых), достоинства и недостатки которых подробно рассмотрены в работе [8].

3.1. Гидравлические расчеты тупиковых водопроводных сетей

При заданной производительности водопровода гидравлические расчеты в тупиковых сетях выполняются достаточно просто: если известны расходы воды в узлах сети, поступающие к отдельным потребителям, то последовательно определяют удельный, путевой и расчетные расходы, а затем диаметры и потери напоров по отдельным магистральным линиям.

Удельный расход сети – расход воды, приходящийся на 1 м длины водопроводной сети,

qуд = Qmax /L, (18)

где Qmax – максимальный расчетный расход, поступающий в водопроводную сеть; L – суммарная протяженность магистральных линий сети.

В тупиковых водопроводных сетях отбор воды на каждой магистрали сети принимается пропорционально ее длине l. При этом расход воды, отбираемый потребителями по длине каждой магистральной линии, называется путевым расходом

(19)

При переносе воды по магистральной линии, помимо путевого расхода, необходимо учитывать также транзитный перенос воды на более удаленные магистральные линии. С учетом транзитного расхода Qтр расчетный расход в пределах каждой магистрали

Qр = aQпут + Qтр, (20)

где a » 0,5 – коэффициент эквивалентности.

Диаметр труб магистральных линий водопроводной сети

, (21)

где v – скорость движения воды в трубопроводе.

Скорость движения воды в трубах определяется с учетом ряда показателей: стоимости электроэнергии, способа укладки и гидравлических параметров труб. Как правило, ее принимают равной 0,6-2 м/с в зависимости от диаметра труб [1].

Одной из важных частей расчета водопроводной сети является вычисление потерь напора на преодоление сопротивлений, возникающих в трубах при движении воды. Потери напора по длине при постоянном диаметре трубопровода

, (22)

где s – сопротивление трубы, s = s0l; s0 – удельное сопротивление; l – длина трубы.

Удельное сопротивление водопроводных труб зависит от их диаметра и материала, из которого они сделаны (табл.2).

Таблица 2

Диаметр трубы, мм	Удельное сопротивление труб, с2/м6
чугунных	стальных
100	311,7	172,9
125	96,72	76,36
150	37,11	30,65
200	8,092	6,959
250	2,528	2,187
300	0,9485	0,8467
350	0,4365	0,3731
400	0,2189	0,1859
450	0,1186	0,09928
500	0,06778	0,05784
600	0,02596	0,02262
700	0,01154	0,01098
800	0,005669	0,005514
900	0,003047	0,002962
1000	0,001750	0,001699
1200	0,0006625	0,0006543
1400		0,0002916
1500		0,0002023
1600		0,0001437

Общая потеря напора на всем расчетном пути водопроводной сети устанавливается как сумма потерь напоров в последовательно соединенных участках водопровода (магистралях):