Подземные воды и методы их анализа

(60)

Находим h:

(61)

т. е. мы снова имеем уравнение прямой линии, хотя в природных условиях депрессионная воронка в разрезе имеет вид кривой. В гидрогеологической практике применяются формулы, учитывающие уклоны водоупоров, неоднородность в водопроницаемости слоев, поправки на несовершенство скважин, на неустановившееся движение и т. д. Большое значение для расчетов имеет понятие о дебите и удельном дебите.

Дебит (по-фр. -- сбыт, расход) -- количество воды, нефти, газа, даваемое источником, колодцем, скважиной за единицу времени. Единицами измерения дебита для подземных вод являются м3/с или м3/сут. Удельный дебит получают при делении величины дебита на величину понижения уровня

(62)

и обычно измеряют м2/сут.

2.5 Методы определения коэффициента фильтрации горных пород

Как видно из приведенных в предыдущем параграфе формул, в большинстве из них присутствуют величины коэффициента фильтрации и радиуса влияния, на методах определения которых мы и остановимся.

Определение коэффициента фильтрации горных пород можно проводить на основании использования эмпирических формул, лабораторных данных и полевых опытов. Эмпирические формулы позволяют быстро определить коэффициент фильтрации горных пород на основании данных об их пористости и механического состава. Однако эти формулы дают лишь приблизительные представления о водопроницаемости пород и могут быть использованы только при предварительных расчетах. Для определения коэффициента фильтрации песков с эффективным диаметром частиц, равным от 0,1 до 3,0 мм, и при коэффициенте неоднородности менее 5,0 можно применять формулу Хазена

, м/сут, (63)

где С--эмпирический коэффициент, равный, по О. К. Ла-нге,

(64)

п -- пористость породы, %; dэ~ эффективный диаметр частиц, мм; t° -- температура воды, °С. Для определения эффективного диаметра и коэффициента-неоднородности необходимо построить интегральную (суммарную) кривую механического состава. Обычно результаты анализов механического состава лаборатория выдает в виде стандартной таблицы (табл. 1). Для построения суммарной кривой необходимо знать суммарные содержания фракций диаметром менее 0,005; 0,01; 0,05; 0,1; 0,25 и т. д. мм. Для этого в таблице справа налево мы суммируем содержания фракций и записываем ниже (под содержанием фракций, %).

Таблица 1. Данные для построения суммарной кривой механического состава породы.

На графике по оси абсцисс откладываем логарифмы диаметра частиц, по оси ординат -- суммарное содержание, %. После построения кривой находим величины эффективного и контролирующего (dк) диаметров, т. е. размеры частиц, меньше которых в породе содержится 10 и 60 %. В нашем примере dэ = 0,11 мм, dк = 0,42 мм. Теперь можно найти коэффициент неоднородности Кн

(65)

Наряду с (81) можно применять и формулу Козени

(66)

где п -- пористость в долях от единицы. В лабораторных условиях чаще всего применяют трубку Спецгео и трубку КФЗ конструкции Д. И. Знаменского. Трубка Спецгео конструкции Е. В. Симонова состоит из основной трубки 1, нижней крышки 2 с сеткой, верхней сетки 3, верхней крышки 4 и стеклянного мерного цилиндра 5, снабженного шкалой с делениями через 10 см3. Мерный цилиндр поддерживает постоянный уровень над верхней сеткой, так как из него выливается вода только после поступления внутрь пузырьков воздуха. Этим достигается и постоянство гидравлического градиента, равного единице (напор равен пути фильтрации).

Коэффициент фильтрации вычисляют по формуле

(67)

где Q -- расход воды, см3/с; F -- площадь поперечного сечения трубки, равная 28 см2; V -- объем профильтровавшейся воды, см3; t -- время, с; t° - температура воды, °С. Полевые опыты проводятся в полевых (натурных) условиях и дают наиболее надежные данные о фильтрационных свойствах пород. Полевые опыты заключаются в производстве откачек или наливов воды в скважины и шурфы. Откачки проводят при неглубоком залегании подземных вод. На участке, где предполагается изучать водопроводимость пород, закладывают одну или несколько скважин на водоносный горизонт и откачивают воду. В результате уровень подземных вод понижается и вокруг скважины образуется депрессионная воронка. Как мы видели выше, дебит скважины зависит от коэффициента фильтрации, величины понижения уровня подземных вод и радиуса влияния. Определив при откачке дебит, динамический уровень и радиус влияния, можно получить коэффициент фильтрации. Откачки бывают одиночные и кустовые. Одиночные откачки производят из одной скважины без наблюдения за депрессионной воронкой. При кустовых откачках бурят группу (куст) скважин, из которых одна центральная является опытной (из нее ведут откачку воды), а остальные служат для наблюдения за распространением воронки депрессии вокруг центральной скважины. Наблюдательные скважины в кустах располагаются по одному или 2--4 лучам, отходящим от центральной скважины. Необходимо, чтобы один из лучей совпадал с направлением движения подземного потока. На каждом из лучей закладывают не менее двух наблюдательных скважин. Величина коэффициента фильтрации, полученная по данным опытной откачки, является средней для всей толщи породы, охваченной опытным кустом. Для определения коэффициента фильтрации по данным одиночным откачкам пользуются формулами, по которым вычисляют приток воды к колодцам и скважинам (35) и (58), решив их относительно Кф. При этом радиус влияния можно принять для песков крупных -- равным 500 м, для песков средней крупности -- 150--100 м, для песков мелких -- 75--50 м, для песков пылеватых и супесей-- 30--20 м. Небольшая неточность в определении радиуса влияния не окажет большого влияния на расчет, так как этот параметр входит в формулу под знаком логарифма.

Коэффициент фильтрации вычисляется по следующим формулам:.

а) для безнапорных вод

(68)

б) для напорных вод

(69)

При наличии двух наблюдательных скважин коэффициент фильтрации определяется по формулам: для безнапорных вод на участке центральная (ц) -- первая наблюдательная (1н) скважины

(70)

на участке между наблюдательными скважинами

(71)

Получив два значения коэффициента фильтрации, из них находят среднюю величину, принимая ее за истинную. Иногда определяют еще и третье значение коэффициента фильтрации -- в промежутке центральная -- вторая наблюдательная скважины. Для артезианских вод определение ведется аналогичным путем:

(72)

(73)

Обычно опытные откачки производят при нескольких понижениях уровня. При глубоком залегании подземных вод рациональнее вместо откачек производить нагнетание воды в скважины или наливы ее в шурфы. При опытных нагнетаниях в скважине, а также на некотором расстоянии от нее уровни подземных вод повышаются. Зная расход воды при нагнетании и величину повышения уровня в опытной и наблюдательной скважиных, можно вычислить коэффициент фильтрации по тем же формулам, что и для опытных откачек, подставив в формулы вместо величины понижений соответствующие величины повышения уровня. Налив воды в шурф по способу Болдырева применяют для определения водопроницаемости верхних слоев пород. Воду в шурф подают в таком количестве, чтобы над дном поддерживался ее слой толщиной около 10 см. Объем профильтровавшейся воды разделяют на время и получают расход. Далее коэффициент фильтрации находят по формуле

(74)

где Q -- расход, м3/сут; F -- площадь поперечного сечения шурфа, м2. Более точные результаты дает способ, основанный на применении прибора ПВН (прибор водопроницаемости Нестерова). Прибор состоит из двух колец, которые вдавливаются в испытываемую породу в дне шурфа или закопушки (закопушка -- горная выработка, предназначенная для вскрытия коренных пород, залегающих непосредственно под почвенно-растительным слоем, обычно имеет глубину до 0,5 м). Прибор ПВН применяется для определения коэффициента фильтрации слабопроницаемых пород (супесей, суглинков). Как видно из рис. 14, б, инфильтрация по краям потока расходится в виде веера и мы не можем точно определить площадь фильтрации. В центральной части потока вода фильтруется вертикально. Предполагается, что поперечное сечение инфильтрационного потока из внутреннего кольца равно его площади. Поддерживая слои воды в обоих кольцах одинаковыми, определяем установившийся расход из бачка, питающего инфильтрацию из внутреннего кольца. Расчет коэффициента фильтрации ведем по зависимости

(75)

где Q -- величина установившегося расхода, м3/сут; F -- площадь внутреннего кольца, м2; Нк -- высота капиллярного поднятия, м; h -- высота слоя воды в кольцах, м; l -- глубина просачивания воды, м, определяемая бурением после окончания опыта. Определение радиуса влияния производят на основании эмпирических формул и полевых опытов. Среди эмпирических формул наиболее часто применяются зависимости И.П. Кусакина: для безнапорных вод

, м (76)

для напорных вод

, м (77)

Определение радиуса влияния на основании опытных откачек ведут аналитическим или графическим способом. Аналитически -- из выражений (56) и (76), решая их относительно R. По данным откачки в масштабе строят графический разрез и продолжают (экстраполируют) депрессионную кривую за пределами крайней наблюдательной скважины. Измерив расстояние от центральной скважины до R, получают величину радиуса влияния.

Воздействие хозяйственной деятельности человека на подземные воды приводит к необходимости рассмотрения сложных расчётных схем, поэтому, помимо аналитических методов расчёта, широко используются методы математического моделирования с применением аналоговых приборов и цифровых ЭВМ. Это позволяет проводить гидрогеологические расчёты с возможно более полным учётом природной обстановки и всех действующих факторов. Для решения стационарных задач, как правило, используют сплошные электрические модели из электропроводной бумаги, а для решения нестационарных задач -- гидроинтеграторы и сеточные электроинтеграторы на активных сопротивлениях (сетка Либманна) и на активных сопротивлениях с ёмкостями (сетка R -- С).

Наряду с решением прямых гидрогеодинамических задач, в которых даётся прогноз режима и баланса подземных вод, рассматриваются решения обратных задач -- восстановление параметров фильтрационной схемы по данным о режиме подземных вод (например, при многолетней работе крупных водозаборов подземных вод, в районах водохранилищ, карьеров). Важное значение для изучения загрязнения подземных вод, обоснования гидрогеохимических методов поисков полезных ископаемых приобретает новое направление, изучающее физико-химические процессы, происходящие при взаимодействии подземных вод с вмещающими их горными породами.

3. Гидрологические расчеты по притоку вод в горизонтальные водосборы по данным города Ялуторовска, Тюменской области

В г. Ялуторовске завершается строительство магистрального водовода от Сингульского подземного водозабора. В связи с ростом жилищного строительства и развитием промышленности (строились Маслосыркомбинат, заявленная потребность на 2010 год 6,0 тыс.м3/сутки, Завод по производству пенобетона, завод ДСП, кирпичный завод, развивались Горпищекомбинат, мясокомбинат и другие) к 2010 году планировалось увеличение водопотребления до 20,0- 22,0 тыс.м3/сутки. Для решения проблемы дефицита воды необходимо было увеличение производительности Сингульского водозабора до утвержденных запасов в объеме 18,0 тыс.м3/сутки и реконструкция Северного водозабора со строительством станции водоочистки производительностью 4,0 тыс.м3/сутки в залинейной части города. В 2009 году были практически закончены реконструкции Северного водозабора, выполнены геологоразведочные работы для подтверждения запасов Северного водозабора и разработаны проектно-сметную документацию. По данным его исследованиям мною были сделаны расчеты по притоку подземных вод в горизонтальный водозабор.

В г. Ялуторовске на 2009 год имеется централизованная система хозяйственно-питьевого водоснабжения. Фактически централизованным водоснабжением холодной водой охвачено 98,7 % населения. Водоснабжение города осуществляется за счет подземных вод атлым-новомихайловского водоносного горизонта. В настоящее время система водоснабжения города находится в ведении МП «Городские водопроводно-канализационные сети». Вода подается из Сингульского водозабора, длиной в 1200м, который находится в однослойном пласте параллельно реке на расстоянии 50 м от нее Забор воды осуществляется из 22 скважин. Фактически водопотребление из скважин составляет 350 м3 в сутки. Скважины оборудованы насосами марки ЭЦВ-6, ЭЦВ-8. Все скважины имеют зоны санитарной охраны. Первый пояс зоны санитарной охраны огорожен на всех скважинах и составляет 30 м. Мощность водоносного горизонта 8 м, коэффициент фильтрации водоносных пород составляет 20 м/сут. Водоприемный элемент закладывается на высоте от 4 м от водоупора. Расстояние от дна реки до водоупора 5 м. Мощность слабопроницаемого слоя на дне реки 1,5 м, его коэффициент фильтрации 0,1 м/сут. Вода в скважинах отличается низким содержанием фтора и повышенным содержанием железа. Вода из скважин Сингульского водозабора подается по водоводу (2 трубы) диаметром 0.8 м на станцию обезжелезивания, расположенной в юго-западной части города, где производится снижение содержания железа до уровня меньше или равного ПДК. С целью поддержания содержания фтора в соответствии

с санитарными требованиями вода фторируется, затем направляется в резервуары, откуда забирается насосами II подъема подается потребителям.

Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода и водоснабжение населенных мест. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» качество питьевой воды в водопроводной сети соответствует гигиеническим нормативам.

Общий объем использованной пресной воды по г. Ялуторовску в 2009 г. снизился по сравнению с 2007 г. на 0,19 млн. куб. метров (9 %) и составил 3,27 млн. куб. метров (таблица 6.2). В 2009 г. наблюдалось увеличение объемов использования технической и поверхностной воды на 0,09 млн. куб. метров (11 %). На хозяйственно-питьевые нужды объем использования воды увеличился на 0,69 млн. куб. метров (50 %), на производственные нужды объем использованной воды не изменился, составил 1,17 млн. куб. метров. Для береговых водозаборов встает задача о нахождении необходимого удаления их от реки, обеспечивающего отбор требуемого расхода Q, или определения необходимой для этой цели длины водозабора. Поэтому основной задачей расчетов в горизонтальных водозаборов является определение притока воды в них. Вид расчетных формул зависит от гидрогеологических условий, в которых работает водозабор, и характера питания подземных вод. Расчет горизонтальных водозаборов производится для условий установившейся фильтрации, так как только этот случай в силу сравнительно малой мощности водоносных пород и длительной работы водозаборов представляет практический интерес. В случае однослойного водоносного пласта, ограниченного с одной стороны прямолинейным контуром питания, например рекой (рис.2), приток воды в водозабор рассчитывается по формуле .

(59)

Здесь Q - полный приток в горизонтальный водозабор длиной l, k - коэффициент фильтрации водоносных пород; Н1 - мощность грунтовых вод на урезе воды в реке; Но - то же, на линии водозабора; L - расстояние от реки до водозабора; Ф - фильтрационное сопротивление, обусловленное гидродинамическим несовершенством водозабора; L - сопротивление, учитывающее несовершенство прямолинейного контура питания, т. е. неполную врезку реки в водоносный горизонт. Фильтрационное сопротивление Ф, учитывающее несовершенство дренажа, определяется выражением

(2)

Рис. 2. Схема к расчету горизонтального водозабора в однослойном полуограниченном водоносном пласте

где d - приведенный диаметр водоприемной части горизонтального водозабора; m -расстояние от приемной части водозабора до водоупора.

Приведенный диаметр водозабора рассчитывается по формуле d = 0,56P,

где Р - периметр смоченной части водоприемного элемента водозабора. Сопротивление на несовершенство границы области питания зависит от степени заиленности дна водоема. В случае незаиленного дна определение L производится по формуле

L = 0,44mp (3)

Здесь mp - расстояние от дна реки до водоупора. При наличии на дне реки (водоема) заиленного (слабопроницаемого) слоя мощностью mp и коэффициентом фильтрации ko используется выражение

(4)

В полосообразном однослойном водоносном пласте, ограниченном двумя прямолинейными контурами питания (рис. 2), приток воды в горизонтальный водозабор рассчитывается по формуле

(5)

Здесь H1, H2, L1 и L2 - приведены на рис. 3, остальные обозначения прежние.

Рис. 3. Схема к расчету горизонтального водозабора в однослойном водоносном пласте в междуречном массиве

В формуле (5) предполагается, что вдоль контуров питания водоемы прорезают водоносный горизонт на всю мощность.

Сопротивление на несовершенство границ области фильтрации учитывается введением в формулу (5) вместо действительных расстояний от границ питания L1 и L2 величин L1+, L2+, где и определяются по формулам (3) или (4).

При наличии естественного бытового потока грунтовых вод с единичным расходом qo (рис. 4) приток воды в горизонтальный водозабор рассчитывается по формуле

. (6)

Здесь сохранены прежние обозначения.

Рис. 4. Схема к расчету горизонтального берегового водозабора в однослойном водоносном пласте при наличии бытового потока грунтовых вод

Приток воды в подрусловой водозабор (рис. 5) находится по формуле

. (7)

Гидравлическое сопротивление R в случае совершенной в фильтрационном отношении реки (т. е. при отсутствии на дне заиленного слоя) определяется следующим образом:

, (8)

где m1 - мощность водоносного горизонта от дна водоема до водоупора; d - приведенный диаметр водозабора; т - расстояние от низа дрены до водоупора.

Рис. 5. Схема к расчету подруслового водозабора в однослойном водоносном пласте

При значительной кольматированности и заиленности русла реки его фильтрационное несовершенство можно учесть, вводя в приведенные расчетные зависимости вместо m величину m +L., где L - дополнительное сопротивление, равное:

. (9)

При определении длины горизонтального водозабора lтр для обеспечения требуемого расхода Qтр можно использовать зависимость (при (l/L)>35)

, (10)

где lтр - длина водозабора; обеспечивающего требуемый расход Qтр; l - длина водозабора, обеспечивающего расход Q.

При определении расстояния Lтр от реки до водозабора для обеспечения требуемого расхода Qтр можно использовать зависимость (для схем, ограниченных одним прямолинейным контуром питания)

. (11)

Здесь сохранены прежние обозначения.

Примеры расчета. Горизонтальный водозабор с приведенным диаметром d = 0,8 м, длиной l = 1200 м располагается в однослойном пласте параллельно реке на расстоянии L = 50 м от нее (см. рис. 1). Мощность водоносного горизонта he = H1 = 8 м, коэффициент фильтрации водоносных пород составляет k = 20 м/сут. Водоприемный элемент закладывается на высоте от m = 4 м от водоупора. Расстояние от дна реки до водоупора тр = 5 м. Мощность слабопроницаемого слоя (экрана) на дне реки то = 1,5 м, его коэффициент фильтрации k0 = 0,1 м/сут.

1. Найти приток воды в водозабор.

Поскольку l/L = 24>5, то расход определяется по формуле (1). Величину Н0 примем равной Н0 = m + d/2 = 4 + 0,4 = 4,4 м. Найдем фильтрационное сопротивление по формуле (2).

Ф = -.

По формуле (4) определим .

м.

По формуле (1) общий приток воды в водозабор составит

= 6,2 тыс. м3 /сут.

2. Определить длину водозабора lтр для обеспечения требуемого расхода Qтp = 5 тыс. м3/cyr.

Величину lтр определяем по формуле (10)

.

3. Определять расстояние от реки до водозабора LTP для обеспечения требуемого расхода Qтр = 5 тыс. м3/cyт.

Величину Lтр определяем по формуле (11)

.

Водоприемная часть труб горизонтальных водозаборов устраивается в виде специальных водоприемных отверстий - круглых или щелевых - в стенках (в случае асбоцементных, железобетонных и пластмассовых труб) или зазоров на их стыках (в случае керамических труб). В первом случае при проектировании необходимо назначить форму и размер отверстий, определить их количество и схему размещения на поверхности трубы. Во втором случае проверяется размер зазора в стыках на водопропускную способность.

Заключение

Подземные воды имеют большое практическое значение. В настоящее время пресные подземные воды играют значительную роль в жизни людей многих стран, так как их используются не только для питьевого водоснабжения, но и в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте -- практически при всех видах человеческой деятельности. Поэтому, учитывая статистические данные, изложенные в этой работе, можно сказать, что не полноценное исследование области подземных вод и их методов анализа приводит к тому, что Россия тратит убытки, прежде всего, в финансовой сфере. Из чего следует, что проблема найти оптимальные решения по использованию вод должна рассматриваться не только как теоретическая, но и как практическая части, о чем говорится во второй части работы данной.

В современный период характерно активное применение гидродинамических расчётов почти во всех гидрогеологических исследованиях. Завершена разработка методики расчётов стационарной фильтрации и разработаны теоретические основы прогнозов подпора грунтовых вод в районах гидросооружений и орошаемых территорий; обосновываются методы оценки эксплуатационных запасов подземных вод; сформулированы основные направления исследований региональной динамики глубоких и взаимодействующих водоносных горизонтов.

В ходе курсовой работы по подземным водам и методам их анализа были решены следующие задачи: рассмотрены положения исследовательских работ по подземным водам в Европе, дан обзор проблемам, возникающих в данной области, проведен анализ методов расчета по динамики подземных вод, сделаны практические расчеты по притоку вод в горизонтальные водосборы по данным города Ялутоворска, Тюменской области, и обозначены тенденции развития тематики в будущем.

Библиографический список

1. Белоусова А.П., Гавич И.К., Лисенков А.Б., Попов Е.В. Экологическая гидрогеология. - М.: Академкнига. 2007.

2. Всеволожский В.А. Основы гидрогеологии. М.: Издательство МГУ, 2007.

3. Кац Д.М., Пашкоский И.С. Мелиоративная гидрогеология. - М.: Агро -промиздат, 1988.

4. Кирюхин В.А. Общая гидрогеология; Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). СПб, 2008

5. Короновский Н.В. Общая геология. М.: КДУ, 2006.

6. Практическое руководство по общей геологии. Под ред. Н.В. Короновского. М.: ACADEMA, 2004 (2-е издание - 2007)

7. Ленченко Н.Н., Фисун Н.В. Практикум по динамике подземных вод (2008)

8. Мироненко В.А. Динамика подземных вод. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2005.

9. Шестаков В.М. Динамика подземных вод. Москва: Издательство МГУ, 1999 год.

10. Шестаков В.М., Кравченко И.П., Пашковский И.С. Практикум по динамике подземных вод. Москва. Изд-во МГУ. 1975.

11. Хаин В.Е., Короновский Н.В., Ясаманов Н.А. Историческая геология. 1997

12. В.Е. Хаин, А.Г. Рябухин, А.А. Наймарк История и методология геологических наук. М.: Издательский центр "Академия", 2008.

13. www. yalutorovsk.admtyumen.ru

Размещено на Allbest.ru