Графоаналитический метод построения зон санитарной охраны

Расчеты ЗСО графоаналитическим способом проводятся с ис­пользованием гидродинамической сетки фильтрации подземных вод, которая представляет собой систему линий равного напора (гидроизогипс) и нормальных к ним линий тока.

Построение такой сетки начинается обычно с проведения гид­роизогипс грунтового потока в условиях эксплуатации водоза­борного сооружения. Для этого определяется :толожение уровня подземных вод в различных точках пласта по всей области филь­трации. Эти точки могут располагаться по некоторой заданной сетке, которая должна сгущаться на участках расположения водозаборных скважин, а также вблизи характерных точек под­земного потока (раздельных точек). Уровень подземных вод в фиксированных точках определяется аналитически (в простей­ших случаях) или с использованием разнообразных моделирующих и цифровых устройств, широко применяемых при гидро­геологических исследованиях. Далее, путем интерполяции извест­ных значений уровня в точках строятся изолинии уровня подзем­ных вод при работе водозабора.

Линии тока проводятся нормально к гидроизогипсам. Для предварительного графического построения линий тока можно ис­пользовать следующий прием.

Выбирается какая-либо точка на одной из гидроизогипс с большим значением уровня, из этой точки восставляется пер­пендикуляр к ней (рис. 37,а). Далее на перпендикуляре нахо­дится точка, располагающаяся на середине расстояния между выбранной гидроизогипсой и соседней с ней с меньшим значе­нием уровня; из этой точки опускается перпендикуляр на сосед­нюю гидроизогипсу, и его пересечение с этой гидроизогипсой дает точку, лежащую примерно на одной линии тока с выбран­ной вначале точкой.

Полученная таким образом система линий тока после этого уточняется с использованием следующего соотношения:

Q_i - Q_i+1=е_i — е_i+1, (102)

где Q_i и Q_i+1 — расходы подземного потока в соседних ячей­ках гидродинамической сетки (см. рис. 37,6) в пределах полосы тока; gj и e;+i — расходы воды, поступающие в рассматриваемые ячейки из внешних источников, или расходы воды, извлекаемые из этих ячеек (перетекание, суммарный расход водозаборных скважин в пределах ячейки и т. д.), в последнем случае величи­ны е_г и е;+1 должны быть отрицательными.

Из равенства (102) вытекает следующее условие, которое должно выполняться для ячеек гидродинамической сетки, располагаемых в пределах одной полосы тока:

(103)

где l_i и l_г+1 — длины соседних ячеек сетки в пределах полосы тока; v=(km)_i/(km)_i+1 — отношение величин водопроводимости в этих ячейках; АH_i и ДH_i+1 — разность отметок гидроизогипс, ограничивающих рассматриваемые ячейки; b_i и b_i+1 — средняя ширина этих ячеек.

Рис. 37. Схемы к построению гидродинамической сетки:

а — построение линий тока; б — фрагмент гидродинамической сетки; 1 — линии тока; 2 — гидроизогипсы; 3 — ячейки сетки; 4 — полоса тока

Под полосой тока понимается площадь между двумя сосед­ними линиями тока, при этом ячейки представляют собой участ­ки, ограниченные двумя соседними гидроизогипсами и линиями тока.

В случае, когда водопроводимость пласта на исследуемом участке одинакова (v=l), а гидроизогипсы приводятся через равные интервалы (ДH_i = ДH_i+1) и, кроме того, е_i=е_i+1 соотно­шение (103) приобретает вид:

li/l_i+1=bi/b_i+1. (104)

Корректировка линий тока проводится таким образом, чтобы соотношения (103) или (104) выполнялись в пределах каждой полосы тока во всей рассматриваемой области.

Анализ гидродинамической сетки начинается с отыскания особых (раздельных) точек фильтрационного потока подземных вод к водозабору. Эти точки характеризуются тем, что в них сходятся несколько линий тока и изолиний напора, а скорость движения воды равна нулю. Раздельные линии, т. е. линии тока, проходящие через раздельные точки, ограничивают участки фильтрации подземных вод к водозабору из различных источ­ников питания (рис. 38). Соответствующие фильтрационные рас­ходы из этих источников определяются по формулам

(105)

где Qi — расход подземных вод из данного источника в преде­лах i-й полосы; i=1, 2, ..., n; n — число полос тока между раз­дельными линиями, ограничивающими область фильтрации из данного источника; (km)i,j, ДH_i,j, b_i,j и l_i,i — параметры j-й ячей­ки в пределах i-й полосы; е_{Сум i,j}=е_i,1+е_i,2+ ... +е_i,j — суммар­ный расход воды из дополнительных источников питания (пере­текание, инфильтрация, скважины), причем суммирование про­водится по ячейкам, располагающимся выше по потоку от рас­сматриваемой i-й ячейки.

Средняя действительная скорость v*i,,- в пределах j-й ячейки i-й полосы тока находится по зависимости

(106)

где k_i,j — коэффициент фильтрации в пределах ячейки; n_i,j — по­ристость.

Время, в течение которо­го частицы воды пройдут путь длиной l_i,j, можно най­ти по формуле

(107)

Полное время движения подземных вод между дву­мя точками, расположенны­ми в ячейках с номерами р и т в полосе тока, получа­ем из выражения

(108)

Задаваясь расчетным интервалом времени Т, по формуле (108) можно найти расстояние до границ ЗСО в пределах каж­дой полосы тока, а по соотношениям (105) оценить расходы основных источников, питающих водозабор, и, следовательно, ре­зультирующую концентрацию С_в тех или иных компонентов в воде, отбираемой водозабором (по формулам смешения). При­меры зон санитарной охраны, рассчитанных графоаналитическим методом с использованием карты гидроизогипс, построенной по данным полевых наблюдений в условиях действующего водоза­бора и численного моделирования фильтрации на ЭВМ, описаны в гл. 11. В моделях отражены фильтрационная неоднородность эксплуатируемого водоносного горизонта, гидравлическая связь реки с аллювиальным и эксплуатируемым водоносными горизон­тами, инфильтрационное питание и другие природные факторы, одновременный учет которых в аналитических расчетах фильтра­ции и миграции практически невозможен. Рассчитанные контуры второго и третьего поясов ЗСО имеют довольно сложные очер­тания, а размеры этих зон значительны, что определяется боль­шой скоростью движения подземных вод в трещиноватых поро­дах с высокой водопроницаемостью и малой активной пористостью.

Рис. 38. Схема к определению расхода подземных вод по гидродинамической сет­ке:

1 — водозабор; 2 — раздельная линия; 3 — линии тока