Лекция №8. Расчет расхода потока. Водозаборные сооружения. Режим подземных вод

1. Расчет расхода потока.

2. Водозаборные сооружения.

3. Режим подземных вод.

Единичный расход – это расход потока шириной, равной единице (1 м и т.п.). Для грунтовых вод, исходя из Q=K*F*I, можно записать Q=K*B*h_ср*I, где B – ширина потока, м и h_ср – средняя высота (мощность) потока, м. Если B=1, то можно записать единичный расход: q= K*h_ср*I, или q= м³/сут. – для грунтовых вод, для напорных вод формула следующая: , м³/сут. Эти формулы применимы для плоских потоков, в которых линии токов ориентированы параллельно друг другу. Перпендикулярно им расположены линии равных напоров (гидроизогипсы для грунтовых вод и гидроизопьезы для артезианских). Совокупность линий равных напоров и токов составляет гидродинамическую сетку – сетку движения подземных вод.

Радиальный поток характеризуется линиями токов, расходящихся или сходящихся по радиусам. Линии равных напоров образуют концентры. Подобные случаи возникают при нагнетании вод в скважину или при откачках (рис.). В практике используется построение кривой депрессии, позволяющей определить отметки поверхности потока в любой его точке между двумя скважинами или любыми произвольными сечениями (рис.).

Под водозаборными сооружениями понимаются инженерные сооружения по забору подземных вод или воды из реки и водохранилища в водопроводные, оросительные, гидроэнергетические и другие системы. Водозаборы подземных вод устраивают в виде одиночных скважин или колодцев, системы скважин или колодцев, подземных водосборных галерей, сооружаемых для каптажа родников. Колодцы по способу их проходки делятся на копанные, забивные, буровые. По характеру напора они могут быть грунтовые или артезианские. По глубине заложения: совершенные (прошли водоносный пласт до нижнего водоупора) и несовершенные (вскрыли водоносный пласт не полностью). Поступление воды в несовершенный колодец осуществляется через дно и стенки (или только через дно), в совершенный колодец вода поступает только через стенки.

Наиболее ответственной частью забивных и буровых колодцев является фильтр. Каркасы для фильтров могут быть деревянными, керамическими, стеклянными, металлическими, последние употребляются наиболее часто. Размер фильтра определяется конечным диаметром скважин (рис.). В практике в качестве фильтра обычно используется металлическая трубка с отверстиями круглого (размером 1-2 см) или прямоугольного (размером 0,8-1,5 см) сечения. Количество отверстий на 1 пог. м. трубы 800-500 штук в зависимости от ее диаметра. Чтобы в скважину не попал песок, перфорируемую трубу покрывают фильтровальной сеткой. Размеры сетки подбираются так, чтобы через нее просеивался грунт водоносного горизонта в сухом состоянии в количестве до 40% от общего его объема. При таком выносе из водоносного горизонта вокруг фильтра образуется хорошо проницаемый грунт, не создающий больших сопротивлений при движении воды к скважине.

Приток воды к совершенному грунтовому колодцу. В основе расчетных формул лежит закон Дарси. Дебит грунтового совершенного колодца при однородном грунте определяется по формуле Дюпюи:

, м³/сут., где

Н – мощность водоносного горизонта, м;

h – мощность слоя воды в скважине при откачке, м;

R – радиус влияния, м;

r – радиус скважины, м;

K – коэффициент фильтрации, м/сут.;

Q – дебит, м³/сут.

Расчет радиуса влияния скважины. Радиус влияния определяется по формуле Кусакина:

, м, где

47 и 6 – эмпирические коэффициенты;

K – коэффициент фильтрации, м/сут.;

H – мощность водоносного горизонта, м;

T – время с начала откачки, часы;

µ - коэффициент водоотдачи грунта.

Приток воды к артезианскому совершенному колодцу. Расчет ведется с использованием формулы Дюпюи:

, а так как H-h=S, то формулу можно записать в виде:

, м³/сут.

В напорных водоносных горизонтах депрессионная воронка может находиться выше кровли водоносного горизонта.

Зависимость дебита от понижения. Дебит артезианского совершенного колодца изменяется прямо пропорционально понижению уровня Q=qS, где Q – дебит артезианской скважины, м³/сут.; q – удельный дебит скважины (дебит при понижении на 1 м, м³/сут.); S – понижение уровня воды в скважине при откачке, м. При понижениях уровня воды в скважине, не превышающих 25% от величины напора, на графике зависимости дебита от понижения значения q расположатся на прямой линии. При больших понижениях увеличивается сопротивление движению воды в водоносном пласте. В этом случае дебит будет меняться не пропорционально понижению и зависимость будет более сложной.

Режим подземных вод. Под режимом подземных вод понимают непрерыв­ный процесс изменения во времени их ресурсов, физиче­ских свойств, химического и газового состава под влия­нием совокупности взаимодействующих и изменяющих­ся во времени естественных факторов.

К естественным (природные) факторам, определяю­щим режим подземных вод, относятся климатические, геологические, гидрогеологические, почвенные, биогенные и др.

Искусственные факторы оказывают влияние на ре­жим подземных вод на участках хозяйственной деятель­ности человека: массивах орошения и осушения земель, строительства водохранилищ и других водоемов. Влия­ют также эксплуатация подземных вод для целей во­доснабжения, борьба с подземными водами при эксплуа­тации месторождений полезных ископаемых, искусст­венное пополнение запасов подземных вод и многие дру­гие факторы.

Режим подземных вод, определяемый только природ­ными факторами, называют естественным (ненарушенный), а если на его формирование существенное влия­ние оказывают искусственные факторы — искусствен­ным (нарушенный).

Основные изменения, которым подвержены подземные воды, следующие.

1. Эпизодические, связанные с изменением кратковременных явлений природы: выпадением осадков, таянием снега, изменением температуры и т.д.

2. Суточные, связанные с изменением температуры и влажности воздуха в течение суток.

3. Сезонные, наиболее закономерные, обусловленные изменением температуры, количества осадков, величины испарения и т.д. по сезонам года.

4. Годовые, обусловленные количественными различиями в метеорологическом режиме в различные годы, например, сухие и влажные, теплые и холодные годы.

5. Многолетние, связанные со многими причинами. Одной из них является изменение солнечной активности. Активность на солнце не постоянна и подвержена периодическим колебаниям с периодами 11 лет, 22 года, 100 лет и др. Изменение активности солнца сказывается на многочисленных явлениях на Земле, например, установлено, что уровень колебаний грунтовых вод в Средней Азии имеет период колебаний 11 лет, этот факт связывают с деятельностью Солнца.

6. Геологические, связанные с изменением физико-географических условий на Земле, происходящие в течение геологического времени, с перемещением бассейна реки, изменением соотношений горных и равнинных областей, климатических условий и т.д.