18. Вывод дебита в безнапорном пласте

Для совершенной скважины в безнапорном пласте картина несколько иная (Рис. 3.2)

Q = ωv

(3.10)

После интегрирования

(3.11)

Подставив пределы интегрирования

(3.12) Тогда (3.13)

Уравнение кривой депрессии

(3.14)

Анализ уравнений кривой депрессии для первого и второго случаев показывает, что в случае напорного пласта кривая депрессии более крутая, чем в безнапорном пласте.

Уравнение расхода можно представить и в другой форме

(3.15)

Однако на практике чаще всего встречаются несовершенные скважины как по степени, так и по характеру вскрытии пласта.

Для определения дебита одиночных несовершенных скважин известно много формул, в которых учитываются те или иные виды несовершенства. В отечественной практике широкое применение получил метод Н.Н.Веригина, который предложил вводить в знаменатель формул поправки ς₁ и ς₂ на несовершенство скважин по степени и характеру вскрытия пласта, которые и определяют дополнительные фильтрационные сопротивления скважин. Тогда полученные формулы получают вид

(3.16)

(3.17)

Значения поправки ς₁ приводятся в справочниках в зависимости от степени вскрытия пласта или и отношения или , где l_ф – длина фильтра, H_р = Н₀ – 0,5S. Необходимо и знание места расположения фильтра относительно пласта

(3.18)

где α и х показатели степени при примыканию к одному из водоупоров: α =2,5. х=1,9 и α = 3,0, х = 2,0 при расположении фильтра в средней части. Характерные значения ς₁ приведены в таблице 3.1

Значения поправки ς₂ будут приведены ниже при рассмотрении конструкций скважин.

19. На побережье водоприемники могут быть опрокинутыми волнами или льдинами. В таком случае применяют водоприемники фильтрационного типа, берегового типа с ограждением защитными дамбами или руслового типа затопленные. Для больших расходов устраивают ковши и подводящие открытые каналы с глубиной большей чем высота волны.

Для борьбы с биообрастанием рекомендуется постоянное хлорирование воды дозами 1,5…5 мг/л, периодическая промывка труб горячей водой или обработка медным купоросом 6-7мг/л в течение одного часа через каждые двое суток.

20. Возрастающий отбор подземных вод приводит к истощению их запасов, снижению уровня безнапорных и напорных вод. Одним из путей предотвращения истощения запасов подземных вод является их искусственное пополнение, обогащение путем перевода поверхностных вод в подземные водоносные горизонты.

Искусственное восполнение запасов подземных вод широко используется :

- для создания сезонных запасов подземных вод;

- для увеличения производительности и надежности эксплуатации

действующих водозаборов подземных вод;

- для защиты пресноводных горизонтов от проникновения

высокоминерализованных подземных вод;

- улучшения качества инфильтруемых и отбираемых подземных вод.

При этом под обогащением подземных вод понимают инженерно-технические мероприятия, обеспечивающие дополнительное их питание и формирование новых запасов за счет поверхностных и дочищенных сточных вод.

В известных учебниках два метода обогащения: инфильтрационный под действием сил гравитации и напорный путем фильтрации поверхностных вод под давлением.

Наиболее применим первый метод. Он наиболее эффективен для обогащения первого от поверхности водоносного горизонта при отсутствии или слабой мощности покровных отложений.

В искусственных инфильтрационных бассейнах должен поддерживаться слой воды 0,7….2,5 метров при количестве бассейнов не менее двух.

При наличии слабопроницаемых покровных отложений днища бассейнов должны врезаться в хорошо проницаемые породы не менее чем на 0,5 метра. Песчаная и гравийная загрузка дна предусматривается при их устройстве в гравийно-галечниковых отложениях.

В качестве инфильтрационных сооружений могут использоваться каналы другие водотоки, понижения рельефа с устройством перегораживающих дамб, выработанные карьеры и др.

При отсутствии близко залегающего водоносного пласта или для увеличения производительности при заборе инфильтрационных вод под дном бассейна устраивают дренажные системы, образуя водозабор подруслового типа. Производительность его рассчитывают по формуле

,

где l – длина дрены.

При глубоком залегании водоупора от дна водоема, когда T стремится к бесконечности эта формула упрощается

При проектировании инфильтрационных сооружений следует предусматривать мероприятия по восстановлению их производительности из-за кольматации дна – съем закольматированного слоя бульдозерами или гидросмывом.

В случае отсутствия мощных водоносных пластов основным источником водоснабжения могут служить инфильтрационные, а подземные водозаборы природных вод могут использоваться в качестве компенсационных. Основной водозабор работает в течение многоводного периода года, а компенсационный – только в маловодные периоды. Схема расположения основного и компенсационного водозаборов, режим их эксплуатации, степень влияния на речной сток в первую очередь определяются условиями взаимосвязи поверхностных и подземных вод, особенно при их совместном использовании.

Основной водозабор оборудуется обычно на водоносный горизонт, имеющий тесную гидравлическую связь с рекой, а компенсационный устраивается на горизонтах, слабо связанных с рекой, питающей основной водозабор.

Основные водозаборы устаивают в речных долинах и они, главным образом, перехватывают разгрузку в них подземных вод. Например, в районе г, Мозыря водозабор питается за счет перехватываемых вод на 76% и 24% - за счет фильтрации от реки.

Исследование месторождения подземных вод г. Гродно, имеющего многослойное строение, показало, что в начальный период до года формирование запасов происходит за счет сработки упругих запасов каптируемого водоносного пласта. Затем основная роль переходит к привлекаемым ресурсам: частичной сработке емкостных запасов грунтового горизонта и перехвату разгрузки в поверхностные водотоки. Доля перехвата через 7 – 10 лет достигает 60…70%.

В период весеннего половодья происходит естественное восполнение запасов подземных вод, которое существенно влияет на динамику уровней воды в зоне питания водозабора. За счет реки в этот период формируется до 98% всех вод отбираемых водозабором. В этот период надо чистить инфильтрационные бассейны.

21. Проверка на сдвиг. На оголовок действуют:

Сила тяжести G

Взвешивающая сила Р

Сила гидродинамического давления F.

Оголовок должен быть проверен на устойчивость к действию сдвигающих сил по формуле

где f – коэффициент трения подошвы оголовка по основанию; принимается рав

ным 0,5 при трении бетона по бетону, 0,6 – бетона по каменной кладке,

0,45 – бетона по песку, 0,35 – бетона по супеси, 0,25 – бетона по суглинку,

0,25 – бетона по глине;

G= mg=gΣV_iρ_i

ρ_i – плотность материала оголовка, кг/м³;

V_i – объем элементов оголовка, м³;

P = gρ_вV

ρ_{в -} плотность воды, кг/м³

V - общий объем оголовка, м³;

F = gρ_вψωv²/2g

ω – площадь поперечного сечения оголовка перпендикулярно потоку, м²;

ψ – коэффициент, зависящий от формы оголовка в плане, равный 0,6 для прямо

угольных оголовков, 0,4 – для круглых, 0,3 – для ромбовидных и 0,07 – для

каплевидных;

v - скорость набегания потока на оголовок, м/с.

22. Усиленный отбор подземных вод приводит к формированию обширных воронок депрессии в основных и смежных водоносных пластах, к изменению их естественных потоков, преобразованию области разгрузки в область питания водозабора. Изменяются условия их взаимосвязи с поверхностными водотоками. Изменяются и другие элементы окружающей среды, что приводит к изменению поверхностного стока, осушению озер, болот, родников, проседанию поверхности земли, изменению биологического разнообразия растений на поверхности вследствие изменения влажности в зоне аэрации, изменяется и животный мир.

Характер и интенсивность влияния водозаборов подземных вод на окружающую среду определяется, в первую очередь, гидрогеологическими условиями в зоне действия водозабора и его производительностью.

Устойчивый режим эксплуатации водозабора обеспечивается в том случае, когда соблюдается баланс водоотбора и притока в зону влияния естественных привлекаемых ресурсов, количественное определение которых позволяет составить оптимальные графики эксплуатации с учетом влияния на водный обмен с прилегающими территориями.

Так, водозаборы в долинах рек имеют ограниченные воронки депрессии, которы приводят частичному поглощению поверхностного стока, осушению ранее переувлажненных земель и периодическому осушению шахтных колодцев в меженный период в зоне влияния.

Водозаборы в ограниченных по площади геологических структурах приводят к экологическим последствиям только в водосборе местной гидрографической сети. При этом прогнозируется значительное понижение уровней воды по всему водосбору. В маловодные годы влияние водозабора будет значительным. Произойдет осушение колодцев сокращение или поглощение поверхностного стока, осушение болот и родников, переосушение области аэрации, изменение растительности и агротехнических свойств почвы.

Водозаборы в артезианских бассейнах вызывают менее значительные социально-экологические последствия. Это объясняется тем, что существенные понижения напоров в водоносных горизонтах компенсируются в процессе эксплуатации запасами воды в вышерасположенных водоносных горизонтах.

23. Хозяйственная деятельность человека оказывает существенное влияние на состояние водоисточников , их дебит и качество воды.

Проблема антропогенных изменений в гидросфере является частью более общей научной и практической проблемы – воздействия человека на окружающую среду. Современная гидрология, используя методы водного баланса и другие методы математического моделирования, может оценить это воздействие и дать прогноз их результатов.

Антропогенные факторы влияют на природные воды, вызывая изменение характеристик их гидрологического режима и их качество. Это связано с изменением русловой сети и перераспределением стока по территории во времени. Наиболее крупные факторы – водохранилища, мощные водозаборы, межбассейновая переброска стока. Кроме них, существенное влияние на формирование объема и качества стока оказывают агротехнические и лесомелиоративные работы, урбанизация, осушительная и оросительная мелиорации, строительство дорог и сопутствующих им сооружений.

Влияние промышленности на водные объекты сказывается путем значительных водоотборов из рек, загрязнения их производственными и дождевыми сточными водами, загрязнения атмосферных осадков, использования лесных угодий под промышленные площадки, забора подземных вод и пр.

Сток с промплощадок специфичен в зависимости от отрасли промышленности, но почти всегда концентрация взвешенных веществ нефтепродуктов, показатель БПК приближается к верхнему пределу показателей стока с селитебной территории.

Для условий Белоруссии, где густота речной сети составляет 0,4 – 0,5 км/км² практически все водозаборы подземных вод оказывают влияние на открытые водотоки. Уже сейчас некоторые малые реки перестали действовать как постоянные водотоки (Усяж, Слепня, Уша, Волма др.).

Объекты мелиорации на современном этапе представляют собой сложный водохозяйственный комплекс. При мелиорации торфяных и супесчано - песчаных грунтов отмечается увеличение до 15% годового и меженного стока. С преобладанием суглинков проявляется снижение стока в основном в весенний период.

Сильнее всего отрицательно влияет на водные объекты сельскохозяйственное производство. Смыв почвы (2 – 3 мм в год) со склонов уменьшает мощность гумусового горизонта, содержащего основные элементы питания растений (N, Р, К), ухудшает агротехнические свойства почвы и приводит к загрязнению водотоков.

Наибольшее количество биогенных веществ (до 80%) выносится весной и во время ливневых дождей. Легко вымываются из почвы азотные и калийные удобрения.

Интенсификация сельскохозяйственного производства невозможна без защиты растений от вредителей, болезней и сорняков. Многие из применяемых для этих целей пестицидов высокотоксичны. По некоторым данным часть их может путем смыва и инфильтрации попасть в реки и подземные горизонты.

Очень острой остается проблема защиты рек от попадания в них отходов животноводства. Несовершенство систем навозоудаления, плохая работа очистных сооружений приводит к залповым, особенно весной, сбросам животноводческих стоков в водоемы, в результате которых наблюдается массовый мор рыбы.

Размещение комплексов в поймах рек, чрезвычайно большое скопление скота в них, отсутствие квалифицированного персонала на очистных сооружениях ставит эту проблему на первое место в сельскохозяйственном производстве.

Нельзя оставлять без внимания и сточные воды мастерских, машинных дворов, моек автотракторной техники. В результате ливневые и талые воды увеличивают загрязнение рек нефтепродуктами.

Под влиянием загрязняющих веществ в водных объектах происходят многоэтапные изменения. В начале они вызываются прямым действием загрязняющих веществ. Изменяются физико-химические и биологические свойства воды, газовый режим и т.д. Дальнейшие изменения связаны с взаимодействием загрязняющих веществ друг с другом, с водой, растворенным кислородом. Возникают процессы гниения и брожения с образованием токсичных веществ, снижается содержание кислорода. Это приводит к распаду биоценозов, замене чувствительных к загрязнения организмов малочувствительными. Снижается биопродуктивность водоемов, уменьшаются рыбные запасы, снижается качество воды. Особую проблему представляют воды в районах, загрязненных радионуклидами вследствие аварии на Чернобыльской АЭС. В настоящее время уровни содержания радионуклидов Cs¹³⁷ и Sr⁹⁰ в питьевых водах систем централизованного водоснабжения республики не превышают 0,007 – 0,030 и 0,001 – 0,017 Бк/литр соответственно, т.е. вода пригодна к употреблению по радиологическим показателям.

Вместе с тем, результаты мониторинга показывают наличие радионуклидов Cs и Sr в верхнем водоносном горизонте, особенно на территориях с высокой степенью загрязнения поверхности. Усиливаются процессы миграции радионуклидов. Отмечаются два пути миграции:

- движение радионуклидов в зоне нарушений в земной коре по трещинам в кристаллических породах и известняках;

- по разуплотнениям, трещинам и пустотам вдоль стволов скважин, оборудованных высокодебитными насосами, с образованием глубоких воронок депрессии.

Созданные человеком водохранилища обусловливают значитльные статические нагрузки водной массы на земную поверхность. Так, в районе Вилейского водохранилища зафиксирован опущенный блок земной коры, на котором развиты заболоченные ландшафты. Инструментально установлено, что эта территория опускается на 7мм в год.