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 l_р/l < 1 (здесь l_р – расстояние от ряда скважин до реки; l – длина водозаборного ряда), при одинаковых расходах скважин Q_с и расстояниях между скважинами ряда 2 понижение уровня подземных вод в каждой скважине водозаборного ряда S_c может быть рассчитано по формуле Маскета – Лейберзона [3]:

, (7)

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

Если линейный ряд из n скважин общей производительностью Q_сум имеет ограниченную длину (отношение l_р/l  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 L, 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:

  Q_общ/q, (9)

где Q_общ – суммарная производительность водозабора.

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

(10)

4. Расстояние между скважинами водозаборного ряда

2 = l/(n  1). (11)

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

. (12)

Тогда уточненное количество скважин водозаборного ряда

n_у = Q_общ/Q_max. (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 n_а 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 Q_с = 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 n_a = 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 Q_сум 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)

2 = 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 (S_доп = 0,5h = 10 м), следовательно, потребное количество воды для водоснабжения населенного пункта будет обеспечено.

4. С учетом величины S_доп 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)

n_min = 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)