Подземные воды и методы их анализа

        (65)

       Наряду  с (81) можно применять и формулу  Козени

        (66)

       где п — пористость в долях от единицы. В лабораторных условиях чаще всего применяют трубку Спецгео и трубку КФЗ конструкции Д. И. Знаменского. Трубка Спецгео конструкции Е. В. Симонова состоит из основной трубки 1, нижней крышки 2 с сеткой, верхней сетки 3, верхней крышки 4 и стеклянного мерного цилиндра 5, снабженного шкалой с делениями через 10 см³. Мерный цилиндр поддерживает постоянный уровень над верхней сеткой, так как из него выливается вода только после поступления внутрь пузырьков воздуха. Этим достигается и постоянство гидравлического градиента, равного единице (напор равен пути фильтрации).

       Коэффициент фильтрации вычисляют по формуле

        (67)

       где Q — расход воды, см³/с; F — площадь поперечного сечения трубки, равная 28 см²; V — объем профильтровавшейся воды, см³; t — время, с; t° - температура воды, °С. Полевые опыты проводятся в полевых (натурных) условиях и дают наиболее надежные данные о фильтрационных свойствах пород. Полевые опыты заключаются в производстве откачек или наливов воды в скважины и шурфы. Откачки проводят при неглубоком залегании подземных вод. На участке, где предполагается изучать водопроводимость пород, закладывают одну или несколько скважин на водоносный горизонт и откачивают воду. В результате уровень подземных вод понижается и вокруг скважины образуется депрессионная воронка. Как мы видели выше, дебит скважины зависит от коэффициента фильтрации, величины понижения уровня подземных вод и радиуса влияния. Определив при откачке дебит, динамический уровень и радиус влияния, можно получить коэффициент фильтрации. Откачки бывают одиночные и кустовые. Одиночные откачки производят из одной скважины без наблюдения за депрессионной воронкой. При кустовых откачках бурят группу (куст) скважин, из которых одна центральная является опытной (из нее ведут откачку воды), а остальные служат для наблюдения за распространением воронки депрессии вокруг центральной скважины. Наблюдательные скважины в кустах располагаются по одному или 2—4 лучам, отходящим от центральной скважины. Необходимо, чтобы один из лучей совпадал с направлением движения подземного потока. На каждом из лучей закладывают не менее двух наблюдательных скважин. Величина коэффициента фильтрации, полученная по данным опытной откачки, является средней для всей толщи породы, охваченной опытным кустом. Для определения коэффициента фильтрации по данным одиночным откачкам пользуются формулами, по которым вычисляют приток воды к колодцам и скважинам (35) и (58), решив их относительно Кф. При этом радиус влияния можно принять для песков крупных — равным 500 м, для песков средней крупности — 150—100 м, для песков мелких — 75—50 м, для песков пылеватых и супесей— 30—20 м. Небольшая неточность в определении радиуса влияния не окажет большого влияния на расчет, так как этот параметр входит в формулу под знаком логарифма.

       Коэффициент фильтрации вычисляется по следующим  формулам:.

       а) для безнапорных вод

        (68)

       б) для напорных вод

        (69)

       При наличии двух наблюдательных скважин  коэффициент фильтрации определяется по формулам: для безнапорных вод на участке центральная (ц) — первая наблюдательная (1н) скважины

        (70)

       на  участке между наблюдательными  скважинами

        (71)

       Получив два значения коэффициента фильтрации, из них находят среднюю величину, принимая ее за истинную. Иногда определяют еще и третье значение коэффициента фильтрации — в промежутке центральная  — вторая наблюдательная скважины. Для артезианских вод определение ведется аналогичным путем:

        (72)

        (73)

       Обычно  опытные откачки производят при  нескольких понижениях уровня. При глубоком залегании подземных вод рациональнее вместо откачек производить нагнетание воды в скважины или наливы ее в шурфы. При опытных нагнетаниях в скважине, а также на некотором расстоянии от нее уровни подземных вод повышаются. Зная расход воды при нагнетании и величину повышения уровня в опытной и наблюдательной скважиных, можно вычислить коэффициент фильтрации по тем же формулам, что и для опытных откачек, подставив в формулы вместо величины понижений соответствующие величины повышения уровня. Налив воды в шурф по способу Болдырева применяют для определения водопроницаемости верхних слоев пород. Воду в шурф подают в таком количестве, чтобы над дном поддерживался ее слой толщиной около 10 см. Объем профильтровавшейся воды разделяют на время и получают расход. Далее коэффициент фильтрации находят по формуле

        (74)

       где Q — расход, м³/сут; F — площадь поперечного сечения шурфа, м². Более точные результаты дает способ, основанный на применении прибора ПВН (прибор водопроницаемости Нестерова). Прибор состоит из двух колец, которые вдавливаются в испытываемую породу в дне шурфа или закопушки (закопушка — горная выработка, предназначенная для вскрытия коренных пород, залегающих непосредственно под почвенно-растительным слоем, обычно имеет глубину до 0,5 м). Прибор ПВН применяется для определения коэффициента фильтрации слабопроницаемых пород (супесей, суглинков). Как видно из рис. 14, б, инфильтрация по краям потока расходится в виде веера и мы не можем точно определить площадь фильтрации. В центральной части потока вода фильтруется вертикально. Предполагается, что поперечное сечение инфильтрационного потока из внутреннего кольца равно его площади. Поддерживая слои воды в обоих кольцах одинаковыми, определяем установившийся расход из бачка, питающего инфильтрацию из внутреннего кольца. Расчет коэффициента фильтрации ведем по зависимости

        (75)

       где Q — величина установившегося расхода, м³/сут; F — площадь внутреннего кольца, м²; Н_к — высота капиллярного поднятия, м; h — высота слоя воды в кольцах, м; l — глубина просачивания воды, м, определяемая бурением после окончания опыта. Определение радиуса влияния производят на основании эмпирических формул и полевых опытов. Среди эмпирических формул наиболее часто применяются зависимости И.П. Кусакина: для безнапорных вод

        , м (76)

       для напорных вод

        , м (77)

       Определение радиуса влияния на основании  опытных откачек ведут аналитическим  или графическим способом. Аналитически — из выражений (56) и (76), решая их относительно R. По данным откачки в масштабе строят графический разрез и продолжают (экстраполируют) депрессионную кривую за пределами крайней наблюдательной скважины. Измерив расстояние от центральной скважины до R, получают величину радиуса влияния.

       Воздействие хозяйственной деятельности человека на подземные воды приводит к необходимости  рассмотрения сложных расчётных  схем, поэтому, помимо аналитических  методов расчёта, широко используются методы математического моделирования  с применением аналоговых приборов и цифровых ЭВМ. Это позволяет  проводить гидрогеологические расчёты  с возможно более полным учётом природной  обстановки и всех действующих факторов. Для решения стационарных задач, как правило, используют сплошные электрические  модели из электропроводной бумаги, а  для решения нестационарных задач  — гидроинтеграторы и сеточные электроинтеграторы на активных сопротивлениях (сетка  Либманна) и на активных сопротивлениях с ёмкостями (сетка R — С).

       Наряду  с решением прямых гидрогеодинамических задач, в которых даётся прогноз  режима и баланса подземных вод, рассматриваются решения обратных задач — восстановление параметров фильтрационной схемы по данным о  режиме подземных вод (например, при  многолетней работе крупных водозаборов  подземных вод, в районах водохранилищ, карьеров). Важное значение для изучения загрязнения подземных вод, обоснования  гидрогеохимических методов поисков  полезных ископаемых приобретает новое  направление, изучающее физико-химические процессы, происходящие при взаимодействии подземных вод с вмещающими их горными породами. 
 
 
 
 
 
 

3.Гидрологические расчеты по притоку вод в горизонтальные водосборы по данным города Ялутоворска, Тюменской области.

      В г. Ялуторовске завершается строительство магистрального водовода от Сингульского подземного водозабора. В связи с ростом жилищного строительства и развитием промышленности (строились Маслосыркомбинат, заявленная потребность на 2010 год 6,0 тыс.м3/сутки, Завод по производству пенобетона, завод ДСП, кирпичный завод, развивались Горпищекомбинат, мясокомбинат и другие) к 2010 году планировалось увеличение водопотребления до 20,0- 22,0 тыс.м3/сутки. Для решения проблемы дефицита воды необходимо было увеличение производительности Сингульского водозабора до  утвержденных запасов в объеме 18,0 тыс.м3/сутки и реконструкция Северного водозабора со строительством станции водоочистки производительностью 4,0 тыс.м3/сутки в залинейной части города.  В 2009 году были практически закончены реконструкции Северного водозабора, выполнены геологоразведочные работы для подтверждения запасов Северного водозабора и разработаны проектно-сметную документация. По данным его исследованиям мною были сделаны расчеты по притоку подземных  вод в горизонтальный водозабор.

      В г. Ялуторовске на 2009 год имеется централизованная система хозяйственно-питьевого водоснабжения. Фактически централизованным водоснабжением холодной водой охвачено 98,7 % населения. Водоснабжение города осуществляется за счет подземных вод атлым-новомихайловского водоносного горизонта. В настоящее время система водоснабжения города находится в ведении МП «Городские водопроводно-канализационные сети». Вода подается из Сингульского водозабора, длиной в 1200м, который находится в однослойном пласте параллельно реке на расстоянии 50 м от нее Забор воды осуществляется из 22 скважин. Фактически водопотребление из скважин составляет 350 м³ в сутки. Скважины оборудованы насосами марки ЭЦВ-6, ЭЦВ-8. Все скважины имеют зоны санитарной охраны. Первый пояс зоны санитарной охраны огорожен на всех скважинах и составляет 30 м. Мощность водоносного горизонта 8 м, коэффициент фильтрации водоносных пород составляет 20 м/сут. Водоприемный элемент закладывается на высоте от 4 м от водоупора. Расстояние от дна реки до водоупора 5 м. Мощность слабопроницаемого слоя на дне реки  1,5 м, его коэффициент фильтрации  0,1 м/сут. Вода в скважинах отличается низким содержанием фтора и повышенным содержанием железа. Вода из скважин Сингульского водозабора подается по водоводу (2 трубы) диаметром 0.8 м на станцию обезжелезивания, расположенной в юго-западной части города, где производится снижение содержания железа до уровня меньше или равного ПДК. С целью поддержания содержания фтора в соответствии  
с санитарными требованиями вода фторируется, затем направляется в резервуары, откуда забирается насосами II подъема подается потребителям.

      Согласно  СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода и водоснабжение населенных мест. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» качество питьевой воды в водопроводной сети соответствует гигиеническим нормативам.

      Общий объем использованной пресной воды по г. Ялуторовску в 2009 г. снизился по сравнению с 2007 г. на 0,19 млн. куб. метров (9 %) и составил 3,27 млн. куб. метров (таблица 6.2). В 2009 г. наблюдалось увеличение объемов использования технической и поверхностной воды на 0,09 млн. куб. метров (11 %). На хозяйственно-питьевые нужды объем использования воды увеличился на 0,69 млн. куб. метров (50 %), на производственные нужды объем использованной воды не изменился, составил 1,17 млн. куб. метров. Для береговых водозаборов встает задача о нахождении необходимого удаления их от реки, обеспечивающего отбор требуемого расхода Q, или определения необходимой для этой цели длины водозабора. Поэтому основной задачей расчетов в горизонтальных водозаборов является определение притока воды в них. Вид расчетных формул зависит от гидрогеологических условий, в которых работает водозабор, и характера питания подземных вод. Расчет горизонтальных водозаборов производится для условий установившейся фильтрации, так как только этот случай в силу сравнительно малой мощности водоносных пород и длительной работы водозаборов представляет практический интерес. В случае однослойного водоносного пласта, ограниченного с одной стороны прямолинейным контуром питания, например рекой (рис.2), приток воды в водозабор рассчитывается по формуле .

(59)

Здесь Q - полный приток в горизонтальный водозабор  длиной l, k - коэффициент фильтрации водоносных пород; Н₁ - мощность грунтовых вод на урезе воды в реке; Н_о - то же, на линии водозабора; L - расстояние от реки до водозабора; Ф - фильтрационное сопротивление, обусловленное гидродинамическим несовершенством водозабора; L - сопротивление, учитывающее несовершенство прямолинейного контура питания, т. е. неполную врезку реки в водоносный горизонт. Фильтрационное сопротивление Ф, учитывающее несовершенство дренажа, определяется выражением

(2)

Рис. 2. Схема к расчету горизонтального водозабора в однослойном полуограниченном водоносном пласте