1. Расчеты потребности населенных пунктов в воде

Водоснабжение городов и других населенных пунктов осуществляется на базе как поверхностных, так и подземных вод путем устройства централизованных систем водоснабжения (водопроводов).

Система водоснабжения включает следующие элементы:

 сооружения для приема воды (водоприемные сооружения);

 водоподъемные сооружения – насосные станции, подающие воду к местам ее очистки, хранения или потребления;

 сооружения для очистки воды;

 водоводы и водопроводные сети для транспортировки воды к потребителю;

 башни и резервуары как регулирующие или запасные емкости в системе водоснабжения.

Принципиальная схема водопровода следующая. Вода забирается из источника (поверхностного или подземного) с помощью водозаборного сооружения и подается насосами, установленными на станции I подъема, на очистные сооружения. После очистки вода поступает в сборный резервуар, из которого забирается насосами станции II подъема и подается по водоводам в водонапорную башню, а затем в магистральную водопроводную сеть. Водонапорная башня служит для хранения и периодического аккумулирования воды.

Количество воды, необходимое для водоснабжения населенного пункта, определяется в соответствии с действующими нормами, основанными на анализе фактической работы существующих систем.

Для расчета расхода воды на хозяйственно-питьевые нужды населения необходимо учитывать число жителей в населенном пункте, норму водопотребления (расход воды, приходящийся на одного жителя), а также неравномерность подачи воды потребителю в течение года и в течение суток.

Норма водопотребления зависит от характера санитарно-технического оборудования зданий, благоустройства населенного пункта, местных климатических условий и задается соответствующими строительными нормами и правилами [10].

Неравномерность подачи воды в течение года характеризуется коэффициентом суточной неравномерности _сут, определяемым как отношение суточного расхода в дни наибольшего водопотребления к среднему суточному расходу за год; неравномерность подачи воды в течение суток учитывается коэффициентом часовой неравномерности _час, представляющим собой отношение максимального часового расхода к среднечасовому.

Расход воды на хозяйственно-питьевое водоснабжение жителей населенного пункта

, (1)

где W – норма водопотребления на одного жителя; N – число жителей. Как правило, численное значение коэффициента cуточной неравномерности подачи воды принимается в расчетах равным 1,1-1,3 [1, 6, 8].

При проектировании водопровода, помимо расхода воды на хозяйственнопитьевое водоснабжение жителей, необходимо также учитывать расходы воды на благоустройство населенных пунктов и на тушение пожаров, а при наличии производственных объектов – расходы воды на хозяйственно-питьевое и технологическое водоснабжение.

Дополнительное расходование воды на хозяйственно-питьевые нужды рабочих в период их пребывания на производстве

, (2)

где W₁ и W₂ – нормы расхода воды на одного работающего в обычных цехах и цехах с тепловыделением более 20 ккал; N₁ и N₂ – соответственно количество работающих в цехах с нормальным и высоким тепловыделением; _час–1 и _час–2 – коэффициенты часовой неравномерности водопотребления для указанных цехов соответственно.

Планирование расходов воды на благоустройство населенных пунктов и промышленных предприятий Q₃ производится в соответствии с нормами расхода воды на поливку зеленых насаждений, газонов, цветников, поливку и мойку покрытий проездов, улиц и площадей. Число поливок в сутки принимается в зависимости от местных климатических условий. Если площадь территории, подлежащей поливке или мойке, неизвестна, то для ориентировочных расчетов принимают

, (3)

где W₃ – норма расхода воды на благоустройство населенного пункта, приходящегося на одного жителя, в зависимости от климатических условий и степени благоустройства населенного пункта W₃ = 50-90 л/сут.

Расход воды на пожаротушение рассчитывается с учетом числа жителей, расчетного числа и продолжительности одновременных пожаров, этажности зданий в населенных пунктах:

, (4)

где q – норма расхода воды на тушение одного пожара, л/с; n – расчетное количество одновременных пожаров; t – продолжительность пожара, в расчетах t = 3 ч.

Формула (4) позволяет учитывать потребность в воде на пожаротушение в суммарной производительности водозабора. Неприкосновенный пожарный запас должен восстанавливаться за 24 ч.

Потребление воды на производственные нужды Q₅ зависит от характера и объема производства и определяется на основании технологических расчетов.

Общий (суммарный) расход воды на водоснабжение населенного пункта с промышленным производством, вычисляемый по формуле

, (5)

является основой для выбора производительности источника водоснабжения.

Численные значения норм водопотребления на хозяйственно-питьевое водоснабжение, на благоустройство и пожаротушение населенных пунктов приведены в работе [8].

Пример 1. Выполнить расчет потребности в воде поселка городского типа, застроенного одно- и двухэтажными зданиями с внутренним водопроводом и канализацией с централизованным горячим водоснабжением. За пределами поселка располагается горно-обогатительное предприятие, на котором работает часть жителей поселка. Число жителей в поселке 8000 человек. На предприятии работает 3000 человек; из них в цехах с высоким тепловыделением 1000 человек. Потребность в воде на технологические нужды предприятия (для обогащения полезного ископаемого) 1500 м³/сут.

Решение. Расход воды на хозяйственно-питьевое водоснабжение поселка (c учетом степени благоустройства поселка в расчете примем W = 300 л/сут, _час = 1,2 и _сут = 1,1 [8, с.6]) по формуле (1)

Q₁ = 30080001,21,1 = 3168000 л/сут = 3168 м³/сут.

Расход воды на хозяйственно-питьевое водоснабжение работающих на обогатительном комбинате при W₁ = 25 л/сут, W₂ = 45 л/сут, _час–1 = 3,0 и _час–2 = 2,5 [8, с.6] вычислим по формуле (2):

Q₂ = 2520003,0 + 4510002,5 = 262500 л/сут = 262,5 м³/сут.

Таблица 1

Данные для расчета	Вариант
	1	2	3	4	5	6
Степень благоустройства зданий поселка и предприятия	Водопровод, канализация и система центрального горячего водоснабжения			Водопровод и канализация с ваннами и местными водонагревателями
Население в поселке, тыс.человек	9	10	11	10	11	12
В том числе: работающих на предприятии, % от общего числа работающих	30	45	40	40	45	50
в цехах с тепловыделением более 20 ккал, % от числа работающих	35	40	50	45	45	35
Технологический расход воды на производстве, м3/сут	1400	1200	1100	1400	1600	1200

Так как площадь территории, подлежащей поливке и мойке, в условии задачи не указана, то расчет расхода воды на благоустройство поселка проведем, приняв W₃ = 90 л/сут. Тогда, согласно формуле (3)

Q₃ = 800090 = 720000 л/сут = 720 м³/сут.

С учетом степени благоустройства и этажности зданий поселка в расчете принимаем n = 1, q = 10 л/c и t = 3 ч (10800 с) [8, табл.1]. Тогда расход воды на тушение пожаров по формуле (4)

Q₄ = 10110800 = 108000 л/сут = 108 м³/сут.

Общий (суммарный) расход воды на водоснабжение населенного пункта по формуле (5) при Q₅ = 1500 м³/сут

Q_общ = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ =

= 3168 + 263 + 720 + 108 + 1500 = 5759,5 м³/сут.

Для последующих расчетов, связанных с организацией централизованного водоснабжения поселка, примем Q_общ = 5760 м³/сут.

Задание 1. Рассчитать по данным табл.1 потребности в воде поселка городского типа.

2. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ВОДОЗАБОРОВ

ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Гидрогеологические расчеты водозаборов подземных вод сводятся к оценке эксплуатационных запасов, определению параметров и пропускной способности фильтров водозаборных скважин, выбору водоподъемного оборудования.

2.1. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод

гидродинамическим и гидравлическим методами

Оценка эксплуатационных запасов подземных вод проводится гидродинамическим, гидравлическим и балансовым методами [3].

Гидродинамический метод оценки эксплуатационных запасов подземных вод базируется на использовании теории притока подземных вод к водозаборным сооружениям. Для аналитических расчетов производительности водозаборных скважин в типовых условиях используется общая теория взаимодействующих скважин, позволяющая определить понижение уровня подземных вод в наиболее нагруженной скважине водозаборного участка.

Сущность гидравлического метода подсчета эксплуатационных запасов подземных вод состоит в том, что прогнозное понижение уровня воды в водозаборных скважинах оценивается по эмпирическим данным, получаемым по результатам проведения опытно-фильтрационных работ на участке месторождения подземных вод. Подобный метод подсчета запасов проводится на месторождениях со сложными гидрогеологическими условиями: при значительной фильтрационной неоднородности водовмещающих пород продуктивного водоносного горизонта, сложной конфигурации граничных условий фильтрационного потока в плане, сложных гидрогеохимических условиях.

В отличие от гидродинамического метода, при использовании которого расчетные зависимости определяются по типовым схемам, а гидрогеологические параметры водоносного горизонта оцениваются с учетом граничных условий водоносного пласта, при гидравлическом методе расчетные зависимости определяются по данным опытных откачек, проводимых на площади месторождения. Часто гидравлический метод применяется в сочетании с балансовым [9].

Оценка эксплуатационных запасов балансовым методом заключается в определении расхода подземных вод на участке водозабора за счет привлечения различных источников их формирования (естественных запасов, естественных и привлекаемых ресурсов). Балансовый метод позволяет определить только общее снижение уровней продуктивного горизонта, а не понижение уровней в водозаборных скважинах. Этим методом нельзя определить и возможную производительность водозаборной скважины. В связи с этим балансовый метод обычно применяется в качестве дополнительного методического приема при подсчете эксплуатационных запасов гидравлическим и гидродинамическим методами.

Пример 2. Оценить эксплуатационные запасы подземных вод для водоснабжения поселка городского типа. Водозабор планируется оборудовать на напорный водоносный горизонт, сложенный крупнозернистыми песками мощностью m = 20 м и средним диаметром d₅₀ = 2 мм. Горизонт неограниченный в плане, сверху и снизу перекрыт мощными толщами слабопроницаемых глин. Избыточный напор горизонта составляет H = 25 м, статический пьезометрический уровень залегает на глубине h_ст = 35 м от поверхности земли. По данным опытно-фильтрационных работ получены следующие значения фильтрационных параметров горизонта: коэффициент фильтрации K = 10 м/сут, коэффициент пьезопроводности а = 10⁴ м²/сут. Предполагается, что фильтр водозаборной скважины будет оборудован на эксплуатационной колонне радиусом r_с = 0,25 м. Потребное количество воды для организации централизованного водоснабжения поселка Q_общ = 5760 м³/сут (см. пример 1).

Требуется:

1. Провести гидродинамическую схематизацию и выбрать аналитическую зависимость для определения расчетного понижения в водозаборной скважине S_р и оценить эксплуатационные запасы подземных вод при работе одиночного водозабора.

2. Определить максимально возможный расход водозаборной скважины.

3. Для случая, если заявленная водопотребность поселка не может быть обеспечена одной скважиной, определить необходимое количество скважин группового линейного водозабора.

4. Рассчитать эксплуатационные запасы подземных вод при работе группового линейного водозабора.

Решение. 1. В соответствии с геолого-гидрогеологичес­кими условиями месторождения подземных вод в качестве расчетной схемы примем схему неограниченного в плане однородного изолированного пласта (схему Тейса). По схеме Тейса понижение в одиночной скважине на конец расчетного срока эксплуатации водозабора

S_р =  ,

где Q_с – расход скважины, м³/сут;  – коэффициент водопроводимости водоносного горизонта; t = 10⁴ сут – время, превышающее срок амортизационных отчислений с водозабора (20-30 лет); E_i – экспоненциальная функция.

Вычислив r_c/(4at) = 0,125²/(410⁴10⁴) = 3,910^-11 < 0,05 и заменив интегральную экспоненциальную функцию логарифмической, получим

; (6)

 = 50,3 м.

Величина допустимого понижения S_доп = H + 0,5m = = 25 + 0,520 = 35 м; таким образом, S_р > S_доп и, следовательно, эксплуатационные запасы в количестве 5760 м³/сут не могут быть обеспечены с помощью одной водозаборной скважины.

2. Максимальный расход воды, который можно получить на водозаборе, определим по формуле (6) для условий работы скважины с постоянным понижением, равным S_доп:

 м³/сут.

3. С учетом заявленной водопотребности населенного пункта Q_общ и максимально возможного водоотбора из одной скважины Q_max число скважин группового водозабора

 = 2 скважины.

4. Запроектируем групповой водозабор в виде линейного ряда из двух скважин, располагающихся друг от друга на расстоянии r_1-2 = 500 м. При этом наиболее нагруженная скважина (в центре водозаборного ряда) будет работать с расходом 3000 м³/сут, а соседняя с ней скважина с расходом 2760 м³/сут.

Понижение в наиболее нагруженной в гидродинамическом отношении водозаборной скважине, работающей с расходом 3000 м³/сут, по формуле (6)

 = 16,3 м.

Дополнительное понижение в этой же скважине, вызванное работой соседней скважины,

 = 7,5 м.

Расчетное суммарное понижение в наиболее нагруженной скважине водозабора на конец срока работы водозабора

S_ = S_расч + S = 16,3 + 7,5 = 23,8 м.

Так как S_ = 23,8 м меньше S_доп = 35 м, то эксплуатационные запасы в количестве 5760 м³/сут будут обеспечены за счет работы двух водозаборных скважин.

Задание 2. Решить предложенную в примере 2 задачу со следующими исходными данными:

Вариант	1	2	3	4	5	6	7
m, м	20	23	20	28	30	24	30
H, м	28	30	26	25	20	25	20

Пример 3. Оценить эксплуатационные запасы подземных вод проектируемого линейного водозабора для водоснабжения поселка городского типа (см. пример 1). Водозабор оборудуется из трех скважин, пробуренных в долине реки на аллювиальный водоносный горизонт (рис.1), сложенный крупнозернистыми песками с гравием и галькой (средний диаметр d₅₀ = 4 мм). Средняя мощность водоносного горизонта h = 30 м, коэффициент фильтрации аллювия K = 14 м/сут. Расстояние от скважинного ряда до реки l_р = 200 м, расстояние между скважинами r_1-2 = r_1-3 = 100 м. Конструкции водозаборных скважин идентичны друг другу: они оборудованы сетчатыми фильтрами, установленными на эксплуатационной колонне радиусом 0,25 м.

Решение. Гидро­геологические условия участка водозабора можно схематизировать как безнапорный, полуограниченный в плане пласт с границей обеспеченного питания. Так как линейный ряд скважин имеет ограниченную длину (отношение l_р/l = 200/200  1), то расчетное понижение в наиболее нагруженной скважине водозабора (в центре ряда) определим по формулам, полученным по методу зеркальных отражений в сочетании с методом сложения течений [3] .

Расчетное понижение в наиболее нагруженной (в центре водозабора) скважине определяется аналогично расчетам, выполненным в примере 2 для линейного ряда скважин, оборудованных на напорный водоносный горизонт. Применительно к данной задаче наиболее нагруженной скважиной водозаборного ряда является скважина 1 (рис.1). Расчетное понижение в скважине 1 будет складываться за счет понижения, вызванного ее собственной работой S_ц, и дополнительного понижения в ней за счет работы соседних скважин 2 и 3 S: S_р = S_ц + S.

Понижение

,

где _1-1 – расстояние от центральной скважины до ее зеркального отражения за рекой, _1-1 = 2l_р = 400 м.

Водозабор оборудуется тремя водозаборными скважинами. При заявленной водопотребности поселка Q_общ = 5760 м³/сут дебит каждой из скважин примем равным 1920 м³/сут. Тогда

 = 6,0 м.

Дополнительное понижение в наиболее нагруженной скважине 1 за счет работы соседних скважин 2 и 3:

,

где _1-3 и _1-2 – расстояние от наиболее нагруженной скважины 1 до зеркально отраженных скважин 3 и 2; r_1-3 и r_1-2 – расстояние от скважины 1 до реальных скважин 3 и 2.

Согласно рис.1, _1-2 =  Так как _1-2 = _1-3 и r_1-3 = r_1-2 = 200 м, то

 = 2,1 м

Расчетное понижение в наиболее нагруженной скважине 1

S_р = S_ц + S = 6,0 + 2,1 = 8,1 м.

При мощности водоносного горизонта 30 м допустимое понижение в наиболее нагруженной скважине водозабора уровня составит 15 м. Так как S_р < S_доп, то эксплуатационные запасы подземных вод в количестве 5760 м³/сут будут обеспечены тремя планируемыми к эксплуатации водозаборными скважинами.

Задание 3. Оценить эксплуатационные запасы подземных вод проектируемого водозабора (см. пример 3) с учетом потребного количества воды для водоснабжения поселка городского типа (см. пример 1). Исходные данные для расчета следующие:

Вариант	1	2	3	4	5	6	7
ri, м	75	90	100	120	130	140	150
K, м/сут	15	16	17	18	19	20	18
h, м	25	26	27	28	30	32	35

Выполненные выше расчеты затрагивали специфику подсчета эксплуатационных запасов подземных вод гидродинамическим методом и требовали обязательного проведения гидродинамической схематизации участка водозаборного сооружения (выбор расчетной схемы), а также определения фильтрационных параметров продуктивного водоносного горизонта.

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 S_р < S_доп = 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.