ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13

«РАСЧЕТ БЕРЕГОВОГО ЛУЧЕВОГО ВОДОЗАБОРА»

Цель работы: Рассчитать дебит заданного берегового лучевого водозабора.

Задачи:

1. Изучить формулу, описывающую дебит берегового лучевого водозабора.

2. Научиться пользоваться графоаналитическим методом для определения параметров формулы дебита берегового лучевого водозабора.

Задание – В напорном водоносном горизонте мощностью (m или Т) 5 м и на расстоянии (в) 75 м от берега реки проектируется лучевой водозабор берегового типа. Коэффициент фильтрации пласта (К) равен 51,8 м/сут. Радиус скважины (r_c) 0,1 м. При глубине заложения лучей скважины (H₀) на 1; 2,5 и 4 м понижение уровня воды в шахте водозабора (S = H – H₀), соответственно, равно 8; 9,5 и 11 м. Мощность верхнего водонепроницаемого слоя 8,5 м. N − число лучей, L − длина луча, м.

Таблица 2.5

Параметры вариантов водозаборов

Ход работы

1. Рассчитать V_r, V_m, L / m, в / 2m, H₀ / m, K / 2m, r_c /m.

2. Определить по рис. 4, б графоаналитическим методом η по зависимости η от в / 2m при величине L / m, характеризующей заданный водозабор.

3. Определить по рис. 4, в графоаналитическим методом α по зависимости α от H₀ / m при величине L / m,характеризующей заданный водозабор.

4. Определить по рис. 4 д, а графоаналитическим методом К_инт по зависимости К_инт от L / m при величинах N, К / 2m и r_c / m, характеризующих заданный водозабор.

5. По формуле (4.1) рассчитать величину дебита берегового лучевого водозабора.

ЛИТЕРАТУРА

1. Анатольевский П. А., Гальперин Л. В. Водозабор подземных вод. − М.: Стройиздат, 1965.

2. Анатольевский П.А., Разумов Г.А. Горизонтальные водозаборные скважины. − М.: Недра, 1969.

§ 2.5. ЗОНЫ САНИТАРНОЙ ОХРАНЫ ВОДОЗАБОРОВ

1. Общие указания по проектированию зон санитарной охраны

Важным вопросом является организация зон санитарной охраны (ЗСО), которые призваны повысить санитарную надежность источника водоснабжения.

Для установления санитарной надежности источника рассматривают геолого-технический разрез артезианской скважины, на котором показаны очередность геологических пород и их мощность. Практически водоносный горизонт считается защищенным, если его кровля представлена монолитным водоупорным слоем мощностью не менее 10 м, что исключает возможность местного питания из вышележащих, недостаточно защищенных водоносных горизонтов.

Также необходимо на месте убедиться в достаточности территории для организации первого пояса ЗСО. Площадку для бурения скважины выбирают в удалении от хозяйственной зоны, котельной и других объектов, которые могут загрязнить почву или покрытие территории предприятия.

Минимальные размеры первого пояса ЗСО подземного источника водоснабжения зависят от степени его защищенности. Пояс должен охватывать территорию, соответствующую наиболее крутой части воронки депрессии, где создаются реальные возможности для поступления воды с поверхности земли через дефекты в горных породах, связанные с процессом бурения скважины. Для безнапорных горизонтов его территория имеет радиус 50 м, для межпластовых напорных – 30 м.

Территория первого пояса ЗСО должна быть ограждена, на нее не допускаются посторонние лица, запрещается строительство любых объектов, не связанных с нуждами водопровода. При необходимости строительства на территории первого пояса выгребных уборных они должны быть оборудованы водонепроницаемыми выгребами.

Задача второго и третьего поясов ЗСО подземных источников (зона ограничений) – сохранение постоянства природного состава воды. В водоносный горизонт поверхностные загрязнения могут проникнуть в области питания горизонта, где он выходит на повер­хность земли, через дефекты водонепроницаемой кровли, так называемые «гидравлические окна», либо через нарушенные при бурении скважины геологические структуры, когда создается связь между выше- и нижерасположенными горизонтами. Таким образом, даже глубокие, межпластовые воды на ограниченных участках не гарантированы от поверхностного загрязнения, что и определяет необходимость создания зоны санитарной охраны.

Для повышения защищенности водоносного горизонта организуют зону ограничения. Границы второго и третьего поясов ЗСО рассчитывают в соответствии с «Рекомендациями по гидрогеологи­ческим расчетам для определения границ второго и третьего поясов ЗСО подземных источников хозяйственно-питьевого водоснабжения». Практически при наиболее неблагоприятных условиях радиус второго пояса ЗСО составляет несколько сотен метров, третьего пояса — несколько километров. При оценке мероприятий во втором и третьем поясах ЗСО необходимо исключить все факторы, обеспечивающие инфильтрацию поверхностных загрязнений в эксплуатируемый горизонт. Мероприятия по организации второго и третьего поясов ЗСО и режим в них определяются проектом ЗСО, который входит составной частью в проект водопровода выполняется проектной организацией за счет средств предприятия и согласовывается с органами Государственного санитарно-эпидемиологического надзора.

Второй пояс ЗСО служит для эффективной защиты подземных вод от микробного загрязнения.

Подземные воды (рис. 2.10) используют в качестве источника водоснабжения. Большую опасность представляет вероятность загрязнения подземных вод патогенной микрофлорой. Возможны два пути микробного загрязнения подземных вод в водоносном горизонте.

По первому пути загрязнение происходит в результате миграции субстратов, содержащих микробы, с поверхности почвы по вертикали. Загрязнение проходит почвенный слой и подстилающие грунты, в которых благодаря физико-химическим и микробиологическим процессам в значительной мере снижается бактериальное загрязнение.

Рис 2.10. Схема залегания подземных вод: 1 — верховодка; 2 — межпластовые безнапорные воды; 3 — грунтовые воды; 4 — межпластовые напорные воды

Основная масса бактерий (до 90 %) задерживается слоем почвы 40 см. Наибольшая глубина проникновения бактерий при вертикальной фильтрации составляет 4–5 м. Однако эти наблюдения проводили при условии целости почвенного покрова и однородных подстилающих грунтов. В реальных условиях любое нарушение почвенного покрова и глубжележащих пород, связанное с деятельностью человека или обусловленное природными факторами (карстовые явления, размыв донных отложений рек, озер, прудов), может приводить к более глубокому проникновению микробного загрязнения. Глубина проникновения зависит также от мощности поверхностного источника загрязнения.

При попадании бактериального загрязнения в подземный водоносный горизонт оно распространяется вниз по потоку. Скорость и дальность распространения по горизонтали зависит от вида водоносных пород. Так, в песчано-гравийных грунтах энтерококки распространялись на расстояние 15 м за 70 суток при скорости движения потока 0,61 м в сутки. При этом микроорганизмы продвигались значительно медленнее воды, со средней скоростью вначале около 0,3 м в сутки, а затем 0,13 м в сутки. В гравийно-галечниковых отложениях, где скорость движения воды составляет десятки и сотни метров в сутки, бактерии могут распространяться до 500—850 м, сохраняя при этом свою жизнеспособность. Замедленная по сравнению со скоростью потока скорость распространения бактерий объясняется процессами адсорбции микробных клеток на частицах водоносных пород. Важно отметить, что дальность распространения из очага загрязнения микробов в несколько раз меньше дальности распространения хлоридов и нитратов.

Данные по выживаемости микроорганизмов в подземных водах весьма ограниченны и касаются в основном кишечной палочки. В различных гидрогеологических условиях выживаемость кишечной палочки составляла от 90 до 210 суток. Еще более длительны сроки выживания в подземной воде энтерококка.

Особенности первого пути загрязнения – наличие латентного периода между временем появления поверхностного очага микробного загрязнения (выгребная уборная, помойная яма, неорганизованная свалка и пр.) и поступлением загрязнения в водоносный горизонт, постоянство загрязнения по прошествии латентного периода, остаточное поступление загрязнений после ликвидации поверхностного очага.

Второй путь – поступление микробного загрязнения через водозаборные сооружения (обсадные трубы, межтрубные и затрубные пространства, энергетические подземные кабели к погружным насосам и пр.) при их неправильном монтаже, нарушениях в процессе эксплуатации сооружений, несоблюдении режима зон санитарной охраны. В этом случае загрязнение воды происходит, как правило, внезапно, но по выявлении может быть скоро прекращено.

Граница второго пояса определяется гидродинамическими расчетами, в которых допустимое время продвижения фронта микробного загрязнения (основной параметр) для грунтовых вод составляет 400, а для межпластовых вод – 200 суток. За это время патогенные бактерии и вирусы потеряют жизнеспособность и вирулентность.

Границу третьего пояса ЗСО подземного источника определяют также гидродинамическими расчетами.

Исходят из условия:

если за пределами третьего пояса ЗСО в водоносный горизонт поступят стабильные химические загрязнения, то они или не достигнут водозабора, перемещаясь с подземными водами вне области захвата водозабора;

или достигнут водозабора, но не ранее расчетного времени работы водозабора (не менее 25 лет, или около 9000 суток).

Ориентировочный радиус третьего пояса – несколько километров.

При гидродинамических расчетах времени продвижения загрязнения учитываются уклон подземного потока, активная пористость водовмещающих пород, мощность водоносного горизонта и дебит водозабора – все параметры, от которых зависит скорость подземного потока.

Методика расчета границ ЗСО подземных источников изложена в «Рекомендациях по гидрогеологическим расчетам для определения границ второго и третьего поясов ЗСО подземных источников хозяйственно-питьевого водоснабжения», изданных в 1983г. ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР.

Во втором и третьем поясах ЗСО подземных источников водоснабжения проводят специальные мероприятия по защите почвенного покрова от повреждения и загрязнения, по исключению всех факторов, облегчающих инфильтрацию поверхностных загрязнений в эксплуатируемый горизонт. С этой целью на территории зоны должны быть выявлены все старые бездействующие скважины, представляющие опасность как источники загрязнения водоносного горизонта. Они должны быть затампонированы или восстановлены.

Тампонаж скважин осуществляется в соответствии со специальными инструкциями. Скважину очищают от загрязнений, про­мывают и дезинфицируют раствором хлорной извести с содержанием активного хлора 75–100 мг/л. Рабочую часть скважины засыпают чистым продезинфицированным фильтрующим материалом (гравием, песком), после чего нижнюю часть заливают цементным раствором. На уровне залегания грунтовых вод стены скважины (обсадные трубы) перфорируют и весь ствол скважины заливают цементным раствором под давлением для проникновения его в межтрубное и затрубное пространство. Далее обсадные трубы срезают на уровне 0,5 м от поверхности земли; вокруг скважины устраивают шурф на глубину 1,5–2 м, который заливают раствором цемента.

На территории второго и третьего поясов зоны запрещены разработка полезных ископаемых, подземное складирование (захоронение) твердых бытовых и промышленных отходов, а также сооружение скважин для закачки отработанных вод в глубокие подземные горизонты.

Размещение складов ядохимикатов, минеральных удобрений, горюче-смазочных материалов, сооружение накопителей промышленных стоков, шламохранилищ и других объектов, обусловливающих опасность химического загрязнения подземных вод, могут быть разрешены в исключительных случаях: лишь при хорошей естественной защите эксплуатируемых водоносных горизонтов и при условии выполнения специальных гидроизоляционных мероприятий при строительстве этих объектов.

На территории второго пояса ЗСО, кроме того, нельзя размещать кладбища, скотомогильники, сооружения почвенной очистки сточных вод и нечистот, животноводческие предприятия и другие хозяйственные объекты, которые могут вызвать микробное загрязнение почвы.

Жилая застройка на территории второго пояса ЗСО подземного источника должна быть канализована или оборудована водонепроницаемыми выгребами.

Действующими в России положениями Сан ПиН 2.1.4.1110-02 в районе сооружений по забору подземных вод определяются санитарно-эпидемиологические требования к организации и эксплуатации зон санитарной охраны (ЗСО) источников водоснабжения и водопроводов питьевого назначения. ЗСО организуется в составе трёх поясов.

Первый пояс (строгого режима) включает территорию расположения водозаборов, площадок всех водопроводных сооружений и водопроводящего канала. Его назначение – защита места водозабора и водозаборных сооружений от случайного или умышленного загрязнения и повреждения водозабора.

Граница первого пояса ЗСО устанавливается на расстоянии не менее 30 м от водозабора – при использовании защищённых подземных вод и на расстоянии не менее 50 м – при использовании недостаточно защищённых подземных вод.

Определение границ поясов ЗСО связано с дальностью распространения загрязнения и зависит:

1) от вида источника водоснабжения (поверхностный или подземный),

2) от характера загрязнения (микробное или химическое),

3) от степени естественной защищённости от поверхностного загрязнения (для подземного источника),

4) от гидрогеологических или гидрологических условий.

Второй и третий пояса (пояса ограничений) включают территорию, предназначенную для предупреждения загрязнения воды источников водоснабжения.

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 области питания водозабора зависят:

1) от типа водозабора (отдельные скважины, группа скважин, линейный ряд, горизонтальные дрены и др.);

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

3) от гидрологических особенностей водоносного пласта, условий его питания и дренирования.

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

Основным параметром, определяющим расстояние от границ второго пояса ЗСО до водозабора, является время продвижения микробного загрязнения с потоком подземных вод к водозабору (Т_м). При определении границ второго пояса Т_м принимается по табл. 2.6

Таблица 2.6

Гидрогеологические условия и время продвижения

микробного загрязнения [3]

Граница третьего пояса ЗСО, предназначенного для защиты водоносного пласта от химических загрязнений, также определяется гидродинамическими расчётами. При этом следует исходить из того, что время движения химического загрязнения к водозабору(Т_х)должно быть больше расчетного. Т_х принимается как срок эксплуатации водозабора (обычный срок эксплуатации водозабора 25−50 лет).

Если запасы подземных вод обеспечивают неограниченный срок эксплуатации водозабора, третий пояс должен обеспечить соответственно более длительное сохранение качества подземных вод.

2. Расчет зон санитарной охраны

При определении границ второго и третьего поясов зоны санитарной охраны водозаборов с помощью гидрогеологических расчетов в качестве возможных критериев следует принимать:

а) положение нейтральных или раздельных линий тока, которыми в плане ограничивается область питания или область захвата водозабора;

б) время продвижения загрязнений в подземных водах к водозабору от очагов загрязнения.

Как правило, при установлении границ второго и третьего поясов ЗСО следует ориентироваться на положение нейтральных линий тока. В случаях, когда это невозможно осуществить (вверх по потоку и в бассейнах подземных вод), используются зависимости, связывающие время продвижения загрязнения и расстояния от возможных очагов загрязнения до водозабора.

При малых скоростях естественного потока подземных вод (< 0,01 м/сут) время передвижения загрязнений Т и допустимое расстояние до очагов загрязнения R определяется по формулам

, (2.35)

. (2.36)

В простых гидрогеологических условиях и при проектировании одиночных или компактно-размещаемых грунтовых водозаборов, а также при проектировании линейного ряда равно дебитных скважин построение гидродинамической сетки и определение нейтральных линий тока, а также времени продвижения загрязнений приближенно могут быть сделаны путем аналитических расчетов.

В сложных гидрогеологических условиях и при проектировании нескольких взаимодействующих водозаборов, размещаемых в виде геометрических и «неупорядоченных» групп, для этих целей следует применять методы моделирования или графоаналитические методы расчета. Во всех случаях для установления границ второго и третьего поясов зон санитарной охраны результаты, полученные расчетами, должны уточняться в каждом отдельном случае материалами изучения общих гидрогеологических и санитарных условий района расположения проектируемого водозабора, а также санитарными и технико-экономическими соображениями.

В приводимых ниже графиках и формулах приняты следующие обозначения:

Q − проектируемая или действительная производительность водозабора, м³/сут;

g − единичный (на единицу ширины) расход естественного потока подземных вод, м²/сут;

где К – коэффициент фильтрации, м/сут;

m – средняя мощность водоносного горизонта, м;

– уклон естественного потока;

− активная пористость;

Т − заданное время, на которое рассчитывается зона санитарной охраны (амортизационный срок работы водозабора или время выживаемости бактерий (Т_м) в условиях подземного потока), сут;

в– расстояние водозабора от реки, м.

Одиночная скважина и группы взаимодействующих скважин (большой колодец) в удалении от границ пласта.