Стадия проектирования водозаборов

Использование подземных вод для целей водоснабжения определяется законода­тельными, нормативными актами государства и условиями формирования и залегания различных категорий подземных вод: характеристикой водоупоров и кровли водонос­ных пластов, мощностью последних, составом и свойствами водовмещающих пород, спецификой формирования водоносных горизонтов, особенностями источников их пи­тания и др. По условиям залегания и формирования подземных вод различают обычно артезианские, хорошо прикрытые мощными водонепроницаемыми кровлями и залегаю­щими на значительных глубинах, и грунтовые воды, залегающие обычно на небольших глубинах (до 30 м) в аллювиальных отложениях. По гидравлическим характеристикам подземные воды различают как напорные, при которых статический уровень воды в пробуренной скважине устанавливается выше кровли водоносного пласта, и безнапор­ные, при которых статические уровень воды устанавливается ниже границы кровли во­доносного пласта, прикрывающей водовмещающую породу.

Подземные воды на территории России находятся в собственности государства. Их использование в народном хозяйстве регламентируется Водным Кодексом РФ.

В зависимости от конкретных условий для добывания подземных вод могут приме­няться: водозаборные скважины, шахтные колодцы, горизонтальные или лучевые водо­заборы, каптажи родниковых вод. Состав сооружений водозаборов из подземных источ­ников определяется глубиной залегания, мощностью, водообильностью и геологичес­ким строением водоносных горизонтов, а также гидравлическими и санитарными ха­рактеристиками подземных потоков, требуемой производительностью водозабора и тех­нико-экономическими показателями.

Для проектирования и сооружения эксплуатационных водозаборных сооружений, а также для переоборудования разведочных скважин в эксплуатационные требуется раз­решение федеральных органов геологии или территориальных производственных гео­логических объединений, местных органов государственного санитарного надзора и ор­ганов по регулированию использования и охране вод.

Проектирование, строительство и эксплуатация подземных водозаборов может осуществляться только организациями, имеющими право на проведение этих работ.

Проектные работы могут осуществляться в несколько стадий.

При одностадийном проектировании составляется рабочий проект со сводным сметным расчетом стоимости. В этом проекте обычно используются типовые или по­вторно применяемые проекты. Кроме того, одностадийное проектирование применяют при составлении технически несложных проектов.

В две стадии составляется проект для устройства крупных и сложных скважинных водозаборов. Этот проект, кроме сводного сметного расчета должен содержать рабочую документацию со сметами для каждого элемента или узла водозабора.

Проектирование использования подземных вод осуществляется не только при раз­работке конкретных проектов водообеспечения отдельных объектов, но и для определе­ния принципиальных направлений развития народного хозяйства, при составлении ге­неральных, бассейновых и территориальных схем комплексного использования и охраны водных ресурсов. Решения, принятые в этих схемах, подлежат обязательному учету при разработке проектно-сметной документации для отдельных объектов.

Структурная схема проектирования объектов и элементов водозабора приведена на

рис. 9.1.

 

Рис.9.1. Схема очерёдности проектирования объектов и элементов скважинного водозабора

Проектирование скважинного водозабора начинают с построения проектного гео­лого-технического разреза. На рис. 9.2 приведен пример такого разреза.

Основой для проекта водозаборных сооружений являются гидрологическое заклю­чение и проектный геологический разрез. Объем проекта, его основное содержание должны осветить также важные вопросы и разделы как количество, качество и режим потребляемой воды из проектируемого водозабора; в каком месте следует бурить сква­жины или колодцы и в каком количестве; как обеспечить зоны санитарной охраны, какой водоносный горизонт следует использовать, каков удельный дебит скважины (колодца) при допустимом понижении статического уровня воды; обоснованность принятого способа бурения, конструкций фильтров, типов водоподъемников, конструкций скважин, способов тампонажа затрубного пространства, конструкций оголовков и способы их сооружений и др. В проекте должны быть продуманные решения по размещению одного или нескольких сборных резервуаров, взаиморасположение (если требуется) водозаборных, очистных сооружений, резервуаров и насосных станций второго подъема.

 

Рис. 9.2. Проектный геолого-технической разрез разведочно-эксплуатационной скважины на воду

Перечень основных задач и методология выбора оптимального варианта скважинного водозабора отражены на рис.9.3.

В процессе эксплуатации водозабора не реже 3-4 раз в год проверяют проектные (разведочные) данные о фактических параметрах работы водоносного пласта, скважин, насосов и сборных водоводов.

С учетом того, что расчетный срок эксплуатации водозабора с планируемой полной производительностью принимают не менее 30 лет, д.т.н. А.Д. Гуриновичем предложена методика поэтапного развития ввода в эксплуатацию скважин водозабора в сроки кратные 10, 20 и 30 годам при заданном общем водоотборе. Эта методика предполагает производить в начальной стадии проектирования и после каждого последующего этапа ввода в эксплуатацию новых скважин переоценку запасов подземных вод (изменения производительности водозабора) на основе определения зависимостей понижений уровней воды в i-ой скважине в p_i расчетный период (S ^p_i).

 

Рис 9.3. Блок-схема методики выбора рациональной схемы скважинного водозабора

 

Для неустановившегося режима и напорной фильтрации расчетная зависимость (S ^p_i) имеет вид:

 EMBED Microsoft Equation 3.0  (1.1)

где S ^p_i - понижение уровня в i-ой скважине в расчетный период, м; Q ^τ_i- дебит i-ой скважины τ-го периода, м³/сут; r_i- радиус i-ой скважины, м; km- водопроводимость

пласта, м/сут; а - коэффициент пьезопроводности, м³/сут; t_τ - продолжительность τ-го

периода, сут; Q ^τ_j - дебиты взаимодействующих скважин, работающих в τ-ый период, м³/сут; l_i,j - расстояние до взаимодействующих скважин, м; р - количество периодов; п - коли чество скважин; E_i - интегральная показательная функция.

Такой подход к режимам эксплуатации вводимых вновь и построенных ранее сква­жин позволяет значительно сократить затраты на строительство и эксплуатацию

водо­забора. Схема изменения параметров водозабора при поэтапном вводе в эксплуатацию скважин приведена на рис. 9.4.

 

Рис. 9.4. Схема изменения параметров водозабора по методике поэтапного ввода в

эксплуатацию

12 Типы подземных водозаборов и область их применения

Выбор типа сооружений для забора подземных вод зависит от глубины и условий залегания водоносных пластов, их мощности и способности водоотдачи. Сооружения, применяемые в практике водоснабжения для забора подземных вод, подразделяются на трубчатые колодцы (скважины), шахтные колодцы, горизонтальные водосборы, лучевые водозаборы, каптированные родники (табл. 9.1).В зависимости от требуемой надежности, глубины залегания и мощности водоносных пластов типы подземных водозаборов рекомендуется принимать согласно данным, приведенным в таблице 9.2.

Краткая характеристика и примерная область применения водозаборных сооружений

Таблица 9.1

№

п/пВиды сооруженийОбласть примененияКраткая характеристика1.Водозаборные скважины ,Для забора воды из напорных и безнапорных водоносных пластов, залегающих на глубине более 15-50 м от поверхности землиВертикальная выработка диа-метром от 50 до 600 мм и более, глубиной до 500 м и более2.Шахтные колодцыДля забора воды из маломощ-ных пластов, залегающих на глубинах до 40 м от поверхно-сти землиВертикальная выработка диа-метром до 1-2 м и глубиной до 30-40 м3.Горизон-тальные водосборы

Для забора воды из маломощ-ных пластов, залегающих на глубине 6-8 м от поверхности земли, вблизи водотоков и во-доемов

Горизонтальные дырчатые водосборные трубы или галереи, оборудованные гравийным фильтром; через 30-50 м на них установлены смотровые колодцы

 

4.

Лучевые водозаборы

 

Для забора воды из маломощ-ных (до 10 м) водоносных пла-стов, залегающих на глубинах до 15-20 м от поверхности зем-ли в песчано-галечниковых отложениях с содержанием валунов менее 10%, а 60% фракций в грунте должно быть менее 70 ммШахта, в нижней части которой в водоносные пласты вдавлены горизонтальные скважины, оборудованные фильтрующей поверхностью из сеток или зернистых обсыпок 5.Каптажи родниковых водПрименяются при наличии концентрированного выхода подземных вод на поверхность землиКаменные или бетонные камеры с водоприемными отверстиями с гравийным фильтром, оборудованные водоотводными трубами

 

Таблица 9.2

Категории надежности подачи воды водозаборами из подземных водоисточников

 

Типы подземных водозаборов

 

Глубина залегания водоносного пласта от поверхности земли, м<55-1010-30>30мощность водоносного пласта или глубина подземного потока, м<44-8< 1010-20>20Водозаборные скважины--221Шахтные колодцы322--Горизонтальные водоза-боры: - трубчатые - галерейные - каменно-щебеночные3

--

-

--

-

--

-

-Примечание: Каптажи соответствуют 3-й категории надежности.

Для обеспечения требуемой категории надежности подачи воды потребителям тре­буются резервные водозаборные сооружения и насосы, количество которых в соответ­ствии с требованиями определяется по табл. 9.3.

Резерв на горизонтальных водозаборах должен составлять 25% от их производи­тельности. На лучевых водозаборах следует предусматривать один резервный водоза­бор или 1 резервный луч при 3-4 рабочих лучах и 2 резервных луча при 5-7 рабочих лучах.

 

 

Таблица 9.3

Количество резервных водозаборных сооружений и насосов в зависимости

 

Количество рабочих со­оружений

 

 

Категории надежности123123Количество резервных сооруженийКоличество резервных насосов на складе1 -411-1115 - 1221-11113 и более20%10%-10%10%10%

Надежность работы систем водозаборов зависит от достоверности предварительно проведенной оценки эксплуатации запасов подземных вод, качества выполненного про­екта и надежности оборудования водозаборов. Последнее должно подбираться с учетом возможного изменения производительности водозаборных сооружений из-за изменения режимов подпитки водоносного горизонта, заиливания прифильтровой зоны и самих фильтров, износа насосов (особенно в бесфильтровых скважинах) и пр.

Для водозаборов, питаемых подрусловыми водами, требуемая надежность зависит от характеристики потребителя (табл. 9.4),

Таблица 9.4

Характеристика надежности береговых подземных водозаборов

 

№ п/п

Характеристика водопотребителя

Категория водозабо­ров

Процент обеспе­ченности, %

Допустимое снижение подачи в % от среднеме­сячного расхода и пере­рыв в подаче

 

1.

Население более 50 тыс. человек

197≤ 30%2.Население от 500 до 50 тыс. человекII95≤ 30%

Т ≤ 6 час3.Население до 500 человек, местные предприятия сель-хозводоснабженияШ90≤ 30%

Т ≤ 24 час10. Гидрогеологические и гидравлические расчеты водозаборных скважин

В основу гидрогеологических и гидравлических методов расчетов положены ос­новные закономерности движения грунтовых вод с учетом принятой схемы расположе­ния скважин, гидрологических характеристик водоносного пласта и условий водоотбора.

В качестве исходной величины принимают необходимый расчетный суточный рас­ход насосов первого подъема, назначаемый с учетом расхода воды на собственные нуж­ды водозабора и очистной станции по совмещенному графику работы очистной станции (если таковая имеется) или по часовому графику водопотребления объекта водоснабже­ния, и проектируемому графику работы скважинных насосов в течение суток.

Дебит (расход) одной скважины во многом зависит от принимаемой величины до­пустимого понижения статического уровня воды в нем. Допустимое понижение уровня подземных вод S в любой точке водоносного горизонта в сложных гидрогеологических условиях (неоднородность водовмещающих пород, особые условия подпитки, возмож­ное истощение и т.д.) должно определяться моделированием. Для безнапорных водо­носных горизонтов:

 EMBED Microsoft Equation 3.0  (1.2)

 

 

где М-мощность естественного безнапорного водоносного горизонта, м; Q-суммарный дебит водозабора, м³/сут; К_ф - коэффициент фильтрации водоносных пород, м/сут; φ - гидравлическое сопротивление, зависящее от условия залегания подземных вод и взаимовлияния скважин (их месторасположения по отношению друг к другу).

Для напорных водоносных горизонтов величина понижения уровня подземных вод в любой точке водоносного горизонта рассчитывается по формуле:

 EMBED Microsoft Equation 3.0  (1.3)

 

где т - мощность напорного водоносного горизонта, м; К_ф - коэффициент водопроводимости грунта.

Для строительства и надежной последующей эксплуатации подземных водозабо­ров с помощью скважин в процессе проектирования определяют: водозахватную спо­собность скважин Q_cв конкретных гидрогеологических условиях, в местах расположе­ния водозабора; величину понижения статического уровня S, исходя из технико-эконо­мических соображений и рационального режима эксплуатации водоносного горизонта; тип фильтра, его конструкцию и размеры; подбирают марку насоса; конструируют сква­жину, оголовок; компонуют водозаборный узел, предварительно определив число сква­жин, их расстояние друг от друга и метод транспортировки воды по общему водоводу в сеть или на очистную станцию. Расчетные схемы совершенных скважин в водоносных пластах приведены на

рис. 13.1.

Приток воды к скважинам зависит от гидродинамической и гидрогеологической ха­рактеристики водоносного пласта, радиуса скважин r принятого понижения уровня воды в них при откачке S.

 

 

Рис. 10.1 Расчетные схемы совершенных трубчатых колодцев при заборе воды из водоносного пласта: а - напорный пласт; б - безнапорный пласт

При установившемся движении напорного потока и совершенной скважине (вскрывающей водоносный пласт на полную его мощность) приток воды к ней опреде­ляют по формуле Дюпюи:

 EMBED Microsoft Equation 3.0 , м³/сут, (1.4) где К_ф – коэффициент фильтрации, м/сут, водоносного пласта (табл.10.1); т - мощность водоносного пласта, м; r и R - соответственно радиус скважины и радиус влияния депрессионной воронки, м; S - понижение уровня воды в скважине при откачке, м.

Таблица 10.1

Коэффициент фильтрации К_ф, радиусы влияния и коэффициенты водоотдачи μ для безнапорных водоносных пластов

Водоносные породыДиаметр частиц, ммК_ф, м/сутR,мμГлинистые грунты, суглинки0,01-0,10,01-0,05Пески пылеватые, супеси0,01-0,050,1-1,00,1-0,15Пески:тонкозернистые0,05-0,250,1-10,025-1000,15-0,20средней крупности0,25-0,510-25100-3000,20-0,25крупные0,5-1,025-75300-4000,25-0,3гравелистые1-250-100400-5000,3-0,35Гравий:мелкий2-375-100400-6000,3-0,35средний3-5100-200600-15000,3-0,35крупный5-10200-3001500-30000,3-0,35Известняки-20-50150-4000,05-0,1Песчаники-10-20100-3000,001-0,03

 

Для несовершенной скважины, питаемой напорными водами:

 

 EMBED Microsoft Equation 3.0 ,м³/сут (1.5)

где Z₁- фильтрационное сопротивление несовершенной скважины, зависящее от соот­ношения длины водоприемной части скважины и мощности водоносного пласта, а так­же от соотношения мощности пласта и радиуса скважины; Z₂- обобщение сопротивле­ния фильтра и прифильтровой зоны водоприемной части скважины, зависящее от типа фильтра и характеристики контактируемых пород.

Расчетные схемы несовершенных скважин в напорном (а) и безнапорном (б) водо­носных пластах приведены на рис. 10.2

 

.

Рис. 10.2. Расчетные схемы несовершенных трубчатых колодцев при заборе воды из водоносного пласта:а - напорный пласт; б - безнапорный пласт

Значения т, К_ф, R, Z₁, Z₂ устанавливают специальными гидрогеологическими изы­сканиями. При их проведении уточняют также значение удельного дебита скважины q_уд - расхода воды при понижении статического уровня воды при откачке на 1 пог. м.

Для несовершенной скважины, питаемой безнапорными водами, приток воды к ней определяют по формуле:

 EMBED Microsoft Equation 3.0 , м³/сут (1.6)

где (2Н -S) = т_р - мощность безнапорного водоносного пласта во время откачки, м;

H - высота слоя безнапорного водоносного пласта, м.

Понижение уровня воды в скважине S для безнапорных водоносных пластов реко­мендуется принимать с учетом допустимого понижения уровня воды в пласте S_доп:

 EMBED Microsoft Equation 3.0 , м (1.7)

где H_в - высота столба воды в скважине до откачки, м; h_H - максимальная глубина по­гружения нижней кромки насоса под динамический уровень воды, м; h_ф - потери напо­ра на входе воды в скважину из водоносной породы, м.

 

Для напорных водоносных пластов величина S_доп определяется с учетом допусти­мого понижения напора в пласте:

S_доп = Н_в - (0,3...0,5)m – h_н – h_ф, м, (1.8)

где т - мощность водоносного пласта, м.

Потери напора на входе воды в скважину из водоносной породы рекомендуется оп­ределять по формуле С.К. Абрамова:

 EMBED Microsoft Equation 3.0 , (1.9)

где α - коэффициент, учитывающий конструкцию фильтра (для дырчатых, щелевых и каркасно-стержневых фильтров 0,06-0,08; для сетчатых и проволочных фильтров 0,15-0,25; для гравийных фильтров 0,12-0,22); Q - производительность скважины, м³/сут; F_ф - рабочая площадь поверхность фильтра, м².

Производительность одной скважины при принятом допустимом понижении стати­ческого уровня воды при откачке S_доп и установленном в процессе опытных откачек удельном дебите q₀ в м³/ч на 1 п.м определяется по форму

 EMBED Microsoft Equation 3.0 , м³/час (1.10)

Для приближенных расчетов рекомендуется принимать следующие значения удель­ных дебитов в напорных водоносных пластах:

 

песок тонкозернистый: (d =0,05-0,1 мм) q₀ 0,5 м³/час

песок мелкозернистый: (d =0,1-0,25 мм) q₀=2-4 м³/час

песок среднезернистый: (d = 0,25-0,5 мм) q₀ = 4-8 м³/час

песок крупный с примесью гравия: (d = 0,5-2,0 мм) q₀ = 10-12 м³/час

Для безнапорных вод зависимость S =f(Q) имеет криволинейный характер и опи­сывается уравнением:

 EMBED Microsoft Equation 3.0 (1.11)

где α и β - безразмерные коэффициенты, определяемые по результатам опытных откачек. Выбор водоносного пласта, который предполагается эксплуатировать для обеспе­чения водопотребности объекта водоснабжения, производится в следующем порядке:

- сравниваются показатели качества воды каждого водоносного пласта с норматив­ными требованиями;

- для каждого водоносного пласта делается вывод о величине дебита и возможнос­ти обеспечить водопотребление объекта водоснабжения;

-составляется общее заключение о возможности эксплуатации каждого из обсле­дованных пластов и производится выбор эксплуатационного пласта. Если по предвари­тельным данным такой выбор сделать невозможно, рассматриваются различные варианты скважинного водозабора, производится технико-экономические сравнение этих ва­риантов и делается окончательный выбор эксплуатационного пласта. При других рав­ных условиях наиболее подходящим для эксплуатации является водоносный пласт, ко­торый содержит воду наилучшего качества, имеет большой удельный дебит и располо­жен ближе других к поверхности земли.

Количество проектируемых рабочих эксплуатационных скважин определяется из условия обеспечения суточной водопотребности объекта водоснабжения Q_ов с учетом расхода на собственные нужды водозабора и очистной станции по формуле:(1.12)

 EMBED Microsoft Equation 3.0 

где t - продолжительность работы скважины в течение суток, час.

Проектируемые скважины следует располагать так, чтобы расстояние между ними было минимальным, но с учетом их возможного взаимодействия. Величиной, определя­ющей допустимое расстояние между скважинами, является радиус их влияния R, кото­рый при отсутствии эксплуатационных и экспериментальных данных можно прибли­женно определить по зависимостям (1.13) и (1.14):

Для безнапорных вод по формуле И.П. Кусакина:

 EMBED Microsoft Equation 3.0 , м (1.13)

Для напорных вод по формуле В. Зихардта:

 EMBED Microsoft Equation 3.0 , м (1.14)

При наличии сведений о гранулометрическом составе водоносного грунта и коэф­фициенте фильтрации, радиус влияния для безнапорных вод рекомендуется принимать из табл.1.5. При интенсивной эксплуатации пластов (когда S > 40 м):

 EMBED Microsoft Equation 3.0 , м (1.15)

Понижение уровня в любой из скважин грунтового водозабора, забирающих воду из напорных пластов, рассчитывают по формуле:

 EMBED Microsoft Equation 3.0 , м (1.16)

где К_ф.ср., т_ср - коэффициент фильтрации и мощность водоносных платов, принимают­ся одинаковыми для данной зоны водозабора; Q₁ = Q₂= ... = Q_n - одинаковое количест­во воды подаваемое насосами из скважин; R_n, r₀, r - радиусы влияния и скважин; n -число скважин в зоне водозабора.