Водозабор подземных вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Путей Сообщения Российской Федерации

Петербургский Государственный Университет Путей Сообщения

Кафедра "Водоснабжение и Водоотведение"

Дисциплина Водоснабжение

Вариант №6

Пояснительная записка к курсовому проекту

Водозабор подземных вод

Санкт-Петербург

1999



Содержание

Введение

1. Выбор источника водоснабжения

1.1 Характеристика района проектирования водозабора

1.2 Требования потребителя к качеству воды

1.3 Оценка эксплуатационных запасов воды

1.4 Выбор типа водозахватных устройств и состава сооружений водозабора

2. Рабочая конструкция скважины

2.1 Выбор способа бурения скважины

2.2 Выбор типа скважины

2.3 Рабочая конструкция скважины

2.4 Тип и конструкция фильтра

3. Гидрогеологический расчет водозабора

3.1 Определение притока воды к скважине

3.2 Выбор места расположения насоса

3.3 Определение пропускной способности фильтра

3.4 Решение вопроса о возможности применения одиночной скважины

3.5 Определение числа скважин в групповом водозаборе

4. Выбор водоподъемного оборудования

5. Корректирование рабочей конструкции и разработка эксплуатационной конструкции скважины

6. Зона санитарной охраны водозабора

Список литературы



Введение

На основании сравнения возможных источников водоснабжения (безнапорные, инфильтрационные и напорные воды) приняты для целей водоснабжения напорные воды. При сравнении учитывались: продолжительность срока эксплуатации, необходимость очистки и другие гидрогеологические и гидрологические параметры.

В качестве водозахватных устройств приняты 11 рабочих и 0 резервных водозаборных скважин совершенного типа. Каждая скважина состоит из: кондуктора диаметром 630 мм, первой колонны труб -- 530 мм, второй колонны труб -- 426 мм, третьей колонны труб -- 325 мм, четвертой колонны труб -- 219 мм и фильтра на каркасах из стержней без дополнительной водоприемной поверхности диаметром 168 мм.

На основании приведенных расчётов имеем следующие расходы: Q_ф=222,4 м³/сут, Q_{факт. скв.}=215,4 м³/сут.

В проекте принят погружной насос 1ЭЦВ6-10-110, расположенный в четвертой (эксплуатационной) колонне труб (диаметром 219 мм) на глубине l_в.т.=21 м.



1. Выбор источника водоснабжения

1.1 Характеристика района проектирования водозабора

Основой для составления характеристики района является ситуационный план, на котором указаны возможные источники водоснабжения - напорные воды (НВ), безнапорные воды (БВ), инфильтрационные воды (ИВ).

Напорные воды:

Граница города находится на отметке 85 м; центр линзы находится на отметке 86 м на расстоянии 2750 м северо-восточнее границы города.

Геоморфологическая характеристика: район напорных вод представлен мореной мощностью 8 м; уклон местности составляет 0.03 в северо-западном направлении; грунтовые воды залегают на глубине 2.1 м.

Гидрогеологическая характеристика: район напорных вод представлен: первый слой - морена мощностью 8 м, второй слой - песок мелкозернистый 14 м, третий слой - сланцы 29 м, четвертый слой - суглинок 54 м, пятый слой (водоносный) - лёса 10 м, шестой слой - сланцеватая глина. Коэффициент фильтрации К=3 м/сут., гидравлический уклон потока i=0.04, статический уровень находится на отметке Z_ст=74 м, напор над подошвой водоносного пласта составляет Н=102 м.

Безнапорные воды:

Граница города находится на отметке 85 м; центр линзы находится на отметке 79 м на расстоянии 5000 м севернее границы города.

Геоморфологическая характеристика: район напорных вод представлен мореной мощностью 8 м; уклон местности составляет 0.03 в северо-западном направлении; грунтовые воды залегают на глубине 2.1 м.

Гидрогеологическая характеристика: район безнапорных вод представлен: первый слой - морена мощностью 8 м, второй слой (водоносный) - песок мелкозернистый 14 м, третий слой - сланцы 29 м. Коэффициент фильтрации К=5 м/сут., гидравлический уклон потока i=0.02, статический уровень над подошвой водоносного пласта 8 м.

Инфильтрационные воды:

Граница города находится на отметке 79 м; центр линзы находится на отметке 72 м на расстоянии 2000 м северо-западнее границы города.

Геоморфологическая характеристика: район напорных вод представлен мореной мощностью 8 м; уклон местности составляет 0.03 в юго-восточном направлении; грунтовые воды залегают на глубине 2.1 м.

Гидрогеологическая характеристика: район инфильтрационных вод представлен: первый слой - морена мощностью 8 м, второй слой - песок мелкозернистый 14 м, третий слой - сланцы 29 м. Коэффициент фильтрации К=5 м/сут., гидравлический уклон потока i=0.02, статический уровень над подошвой водоносного пласта 9 м.

С севера на юго-запад протекает река: ГВВ=71 м, ГНВ=69 м, естественный уклон подземного потока I=0.002.

1.2 Требования потребителя к качеству воды

Требования к качеству питьевой подземной воды, используемой одновременно для питьевых, хозяйственных, технических и коммунально-бытовых целей, регламентируются ГОСТ 2874-82.

1.3 Оценка эксплуатационных запасов воды

Продолжительность использования рассматриваемого источника определяется как эксплуатационными запасами самого источника, так и расчетной производительностью водозабора. В данном проекте предусмотрена равномерная работа водозабора.

Расчетная производительность водозабора определена по формуле:

м³/сут, (1)

м³/ч, (2)

где Q_{сут. р.} - полезная производительность водозабора, м³/сут;

Q_ч - полезная производительность водозабора, м³/ч;

? - коэффициент, учитывающий расход воды на собственные нужды очистных сооружений. При необходимости очистки подземной воды ?=1,03.

Напорные воды.

Эксплуатационные запасы подземных вод:

м³, (3)

где Q_ст., Q_дин.- соответственно статические и динамические запасы подземных вод; Q_доп. - дополнительные запасы, привлекаемые в процессе водозабора, приняты равными 0,3?Q_дин.

Статические запасы включают объем воды в порах и трещинах водоносного пласта:

м³, (4)

где ?-коэффициент водоотдачи (коэффициент запаса), представляющий собой отношение объема гравитационной воды, способной свободно вытекать из водонасыщенной породы, к осушенному объему этой породы.

Коэффициент зависит от литологических особенностей и физико-механического состава пород и принят равным ?=0,05; V объем водоносной породы, м³, принят по ситуационному плану.

Динамические запасы представляют собой объем подземных вод, характеризующий естественную производительность водоносных горизонтов в том размере, в котором забор (отток) воды из них компенсируется поступлением в них воды из областей питания. Эти запасы определяются по формуле:

м³, (5)

где

b-ширина потока подземных вод, м, определенная по ситуационному плану; m - мощность водоносного пласта, м;

K - Коэффициент фильтрации, зависящий от породы водоносного пласта, м/сут;

i - гидравлический уклон.

Таким образом, объем эксплуатационных запасов подземных вод равен:

м³. (6)

Продолжительность использования источника водоснабжения:

года. (7)

Безнапорные воды.

Эксплуатационные запасы подземных вод:

м³. (3)

Статические запасы:

м³, (8)

где m₁ - мощность водонасыщенной части водоносного пласта.

Динамические запасы:

м³. (9)

Таким образом, объем эксплуатационных запасов подземных вод равен:

м³. (10)

Продолжительность использования источника водоснабжения:

года. (11)

Инфильтрационные воды.

Эксплуатационные запасы подземных вод:

м³. (3)

Статические запасы:

м³. (12)

Динамические запасы:

м³. (13)

Таким образом, объем эксплуатационных запасов подземных вод равен:

м³. (14)

Продолжительность использования источника водоснабжения:

года. (11)

Так как продолжительность использования источника водоснабжения для напорных вод t=2,8 года больше, чем для безнапорных и инфильтрационных вод, то к разработке принимаются напорные воды.

1.4 Выбор типа водозахватных устройств и состава сооружений водозабора

Выбор типа водозахватных сооружений определяется геологическими и гидрогеологическими условиями, а также производительностью водозабора.

Наиболее распространены водозаборные скважины; применяются для добычи подземных вод, залегающих на глубинах 10…1000 м и более. Шахтные колодцы; применяются для добычи подземных вод, залегающих на глубинах 7 - 8 м, а в безводных районах - до 30 м. Так же применяют: трубчатые горизонтальные водозаборы с укладкой труб в открытой траншее; лучевые водозаборы. При естественном выходе подземных вод на дневную поверхность применяют каптажи источников (родников).

Так как подошва водоносного горизонта расположена на глубине 115 м и вода не изливается на поверхность, то предпочтительными являются водозаборные скважины.



2. Рабочая конструкция скважины

2.1 Выбор способа бурения скважины

Выбор способа бурения скважины зависит от условий её применения. Так как встречаются рыхлые и глинистые грунты, и глубина до подошвы водоносного пласта составляет 115 м, что меньше 150 м, то применяем ударно-канатный способ бурения.

Так как требуемая глубина бурения до подошвы водоносного горизонта составляет 115 м, что более 100 м, то принят станок УГБ-4УК, обеспечивающий начальный диаметр труб 900 мм.

Поскольку глубина бурения больше 100 м, то принята машина БВС-1, обеспечивающая начальный диаметр 630 мм.

2.2 Выбор типа скважины

Выход первой колонны труб по диаметру 620 мм по сухим грунтам составляет 25 м. Мощность водоносного пласта равна 10 м, что менее 25 м. Следовательно, в проекте принимается скважина совершенного типа.

2.3 Рабочая конструкция скважины

Два варианта рабочей конструкции представлены на рисунке №1. К разработке принят вариант б).

2.4 Тип и конструкция фильтра

Так как водоносный пласт представлен лёсом, то подходят фильтры стержневые, спирально-проволочные и трубчатые с водоприемной поверхностью из проволочной обмотки, сеток галунного плетения и другие.

В данном проекте принят фильтр на каркасах из стержней без дополнительной водоприемной поверхности. Его конструктивные особенности: скважность фильтра до 60%, ширина просвета между стержнями зависит от характера окружающих фильтр пород. Материал для изготовления: сталь прутковая Ст3, Ст5, Ст7 диаметрами 12, 14, 16 мм; патрубки соединительные и кольца опорные из горячекатаных труб; защита опорных каркасов производится кремнийорганической краской ВН-30 или нанесением полиэтилена. Конструкция фильтра представлена ниже на рисунке №2:



3. Гидрогеологический расчет водозабора

3.1 Определение притока воды к скважине

В связи с тем, что потребное число скважин еще не установлено, оценка производительности водозабора производится применительно к одной скважине:

м³/сут, (15)

где S_доп. - допустимое понижение уровня подземных вод,

м, (16)

H - напор над подошвой водоносного горизонта, м;

?H_нас - максимальная глубина погружения насоса под динамический уровень воды в скважине,

??H_нас принята равной 3 м;

?H_ф - потери напора на входе в скважину, приняты равными 1,5 м; m - мощность водоносного пласта, м; K - коэффициент фильтрации, м/сут;

R - гидравлическое сопротивление, зависящее от гидрогеологических условий и типа водозаборного сооружения:

, (17)

R₀ - гидравлическое сопротивление R в точке расположения скважины,

, (18)

R - радиус фильтра, м, r=84 мм=0,084 м; R_ск - радиус влияния скважины, определяемый из выражения:

м, (19)

C - коэффициент пьезопроводности водосодержащих пород:

м²/сут; (20)

T - время, на которое рассчитывается эксплуатация скважины, сут, для напорных вод t=2,8 года=1022 сут; ? - отношение расхода рассматриваемой скважины Q_скв к суммарному расходу водозабора Q_{сут. р}, то есть ?=Q_скв/Q_{сут. р}, в случае рассмотрения водозабора в виде одиночной скважины ?=1; ? - дополнительное сопротивление, учитывающее несовершенство скважины, зависящее от соотношения и , для совершенных скважин ?=0.

3.2 Выбор места расположения насоса

Проверим возможность установки насоса выше кровли водоносного пласта, используя формулу:

м, (21)

где h_необх - необходимая высота столба воды над кровлей водоносного пласта:

м, (22)

где h₁ - высота надфильтровой трубы относительно башмака эксплуатационной колонны, так как глубина скважины превышает 50 м, то h₁=5м; h₂ - расстояние от верха надфильтровой трубы до низа насоса, принято равным 2 м; А_нас - общая длина погружного насоса, принята равной 2,5 м;

?H_нас - максимальная глубина погружения насоса под динамический уровень воды в скважине,??H_нас принята равной 3 м.

Таким образом, так как:

м, (23)

то принимаем насос выше кровли водоносного пласта.

Схема расположения насоса в скважине представлена на рисунке №3:

Длина фильтра принимается по формуле:

м, (24)

где h₃, h₄ - расстояние до фильтра соответственно от подошвы и от кровли водоносного пласта, принято h₃=0,5 м и h₄=0,5м.



3.3 Определение пропускной способности фильтра

Пропускная способность фильтра для скважин совершенного типа определяется по формуле:

м³/сут, (25)

где V_ф -максимально допустимая скорость притока воды к фильтру, определяемая по эмпирической зависимости

; (26) ? -

скважность фильтра, принята для данного (на каркасах из стержней без дополнительной водоприемной поверхности) фильтра равной 0,5.

3.4 Решение вопроса о возможности применения одиночной скважины

На основании приведённых выше расчетов, имеем следующие результаты: проектирование скважина гидрогеология

Q_скв=1874 м³/сут,

Q_{сут. р.}=2369 м³/сут,

Q_ф=222,4 м³/сут.

Так как Q_{сут. р.}>Q_ф, то принимается групповой водозабор.

3.5 Определение числа скважин в групповом водозаборе

Число скважин в водозаборе определяется по формуле:

. (26)

Следовательно, принимаем 11 скважин. Фактическая подача одной скважины составит:

м³/сут. (27)

Проверим возможность уменьшения диаметра фильтра. Примем:

м³/сут, (28)

где K₀ - коэффициент запаса, K₀=1,2.

Определим новый возможный диаметр из формулы (25):

. (25)?

Так как , то уменьшать диаметр скважины нецелесообразно.

Определим фактическое водопонижение из формулы (15):

м. (15)?

Работа скважины после подбора насосного оборудования может быть принята с прикрытой задвижкой.

Так как количество рабочих скважин составляет 11 и проектируется система водоснабжения III категории, то количество резервных скважин равно нулю.

Фактическая длина водоподъемной трубы от верха насоса до устья скважины составляет:

м. (29)



4. Выбор водоподъемного оборудования

При отборе воды из скважины напор насоса H_нас затрачивается на преодоление геометрической высоты подъёма воды H_г, понижение уровня S и потерь напора в водоподъёмной трубе h_в.т., в насосной станции h_н.с. и на напорном водоводе h_н.

Примем потери напора в насосной станции h_н.с.=2 м.

Потери напора в сборном напорном водоводе от скважины к месту подачи воды определяются по формуле:

, м, (30)

где l_н - длина сборного водовода, м; i_н - потери напора на 1 пог. м длины водовода, принимаемые по таблицам.

Принимаем линейную схему расположения скважин согласно заданию. Так как число скважин n=11 значительно (>8), то принимается центральное расположение сборного узла, в три нитки:

Расстояние между скважинами определяется двумя параметрами: водоносной породой (лёс) и производительностью скважины (Q=215,4 м³/сут=9 м³/ч) и составляет l=50 м.

Согласно принятой схеме расположения скважин, а также расстоянию между ними, произведем расчет гидравлического сопротивления R₀ по формуле:

Откорректируем значение водопонижения S:

м. (15)??

Тогда фактическая длина водоподъемной трубы от верха насоса до устья скважины составит:

м. (29)?

Определим потери напора в сборном напорном водоводе от скважины к месту подачи воды:

В проекте приняты полиэтиленовые трубы (ГОСТ 18559-83).

Итак, получили:

м. (30)?

Определим потери напора в водоподъёмных трубах длиной l_в.т.=21 м по формуле:

м, (31)

где Q - расход, подаваемый скважиной, м³/с; A - коэффициент удельного сопротивления водоподъёмных труб, принимаемый по таблицам Шевелёва. Приинят диаметр водоподьемной трубы 40 мм, V=1,99 м/с, А=26260.

Определим геометрическую высоту подъема воды:

Так как Z_о.с.=84 м < Z_з.1=87 м, то H_г=??_{пяти слоёв}-H=

=115-102=13 м. (32)

Таким образом, потребные параметры по подбору насоса составляют:

м. (33)

H_нас=97 м;

Q=215,4 м³/сут=9 м³/ч=2,5 л/с;

Q_ф=222,4 м³/сут=9,3 м³/ч=2,6 л/с;

По данным параметрам подбираем насос марки 1ЭЦВ6-10-110. Его характеристики представлены ниже:

Подача: 10,0 м³/ч;

Напор: 110 м;

Мощность электродвигателя: 5,5 кВт;

Частота вращения: 2850 мин^-1;

КПД: 65 %;

Наружный диаметр: 145 мм;

Завод изготовитель: ПО «Молдавгидромаш";

Марка электродвигателя: ПЭДВ 5,5-140;

Масса насоса: 34 кг;

Масса агрегата: 98 кг;

Габаритные размеры:

A=830 мм;

B=990 мм;

D=145 мм;

F=293 мм;

C=l_в.т.=21 м.

Поскольку длина кондуктора, равная 7 м не позволяет устроить подземный павильон для скважин, то принимаются наземные павильоны высотой 2,6 м.



5. Корректирование рабочей конструкции и разработка эксплуатационной конструкции скважины

Эксплуатационная конструкция скважины не отличается от рабочей: обрезка колонн не требуется, диаметры фильтра рисовать нецелесообразно, следовательно, никаких изменений по диаметрам фильтра и колонн не требуется. Устройство скважин предусматривает цементацию всей длины затрубного пространства лишь между кондуктором и первой колонной обсадных труб. Эксплуатационной колонной труб является четвёртая колонна труб с наружным диаметром d=219 мм. Колонны обсадных труб цементируются между собой на длину h_ц=3 м, а фильтр закрепляется к надфильтровой трубе на длину h₁=5м как показано на рисунке №9:



6. Зона санитарной охраны водозабора

В связи с тем, что в задании отсутствуют данные о защищенности подземных вод на протяжении всех трех поясов принимаем в курсовом проекте напорные воды как недостаточно защищенные. Таким образом границу первого пояса зоны санитарной охраны (ЗСО) принимаем на расстоянии 50 м от водозабора.

Расчетное время Т_м продвижения микробных загрязнений к водозабору (расчет второго пояса зоны санитарной охраны) принимаем в соответствии с гидрологическими условиями и климатическим районом (II район), что составляет 200 суток. Третий пояс зоны санитарной охраны должен обеспечивать защиту водозабора от попадания в него химических загрязнений. При этом время продвижения загрязнений воды должно быть больше срока эксплуатации водозабора. Границы второго и третьего поясов определяются специальными гидродинамическими расчетами.

Определим расстояние ЗСО вниз по течению потока подземных вод применительно к одной скважине:

м (34)

Определяем расстояние R_в вверх по течению потока для второго пояса ЗСО вод применительно к одной скважине:

(35)

Определение величины R_в в этой формуле производится методом подбора.

Принимаем R_в=200 м, тогда:

сут. (35)?

Получившееся значение Т меньше, чем требуемое значение Т_м=200 сут, следовательно данное значение R_в не подходит.

Принимаем R_в=500 м, тогда:

сут. (35)??

Получившееся значение Т больше, чем требуемое значение Т_м=200 сут, следовательно принимаем R_в=500 м.

Аналогично по формуле (35) проводим расчет третьего пояса. Принимаем R_в=1000 м, тогда:

сут. (35)???

Получившееся значение Т больше, чем требуемое значение Т_х=2,8?365=1022сут, следовательно принимаем R_в=1000 м.

Граница ЗСО в поперечном сечении, проходящем через скважину перпендикулярно направлению движения потока, составляет:

м (36)

С учетом возможности расширения границ ЗСО до нейтральной линии тока в процессе длительной эксплуатации водозабора величина 2d_max, м, в сечении, отстоящем от скважины на расстоянии R_в, подсчитывается по формуле:

м. (37)



Список литературы

1. Проектирование и расчет водозаборных скважин. -- СПб, 1991. --45 с.

2. Шевевлев Ф.А., Шевелев А.Ф. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб: справочное пособие. -- М.: Стройиздат, 1995. --198 с.

Размещено на Allbest.ru

...