ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84) часть 3 - Определение производительности бассейнов

Определение производительности бассейнов

11.11. При проектировании прогноз производительности бассейнов может осуществляться следующими способами:

по аналогии с сооружениями уже действующих СИП;

расчетами.

Первый способ требует использования за длительное время данных по эксплуатируемой установке, сходной по факторам, влияющим на величину производительности бассейна (по качеству воды источника пополнения, по общей схеме предварительной подготовки воды; по загрузке днища сооружения, по свойствам подстилающего его грунта и т. д.) с вновь проектируемой.

Этот путь может оказаться наиболее рациональным тогда, когда вновь проектируемая установка находится в районе действующей или проектируется расширение уже эксплуатируемой СИП.

Для применения расчетного метода необходимо иметь данные о свойствах намечаемой к использованию воды (мутность, гранулометрический состав взвеси и т. д.), составе и проницаемости грунтов основания инфильтрационных бассейнов, конструктивных особенностях бассейнов и заданном режиме их эксплуатации.

11.12. Основной задачей расчета инфильтрационных бассейнов является определение скорости инфильтрации или с учетом площади бассейнов фильтрационного расхода, который будет поступать в водоносный пласт в каждый период их работы, длительности каждого периода и общего количества воды за фильтроцикл W (отдача бассейна). При этом следует исходить из следующего, справедливого для каждого периода соотношения

q_o = q+q_e, (92)

где q_о - расход воды, подаваемой в бассейн; q - фильтрационный расход из бассейна; q_e - расход на заполнение (опорожнение) емкости бассейна.

Все эти величины здесь и далее относятся к единице площади бассейна и имеют размерность скорости.

Очевидно, что в первый и третий периоды (t₁, t₂) q_о = q (q_е = 0). Во второй период q_о>q. Однако расчеты и опыт эксплуатации бассейнов показывают, что, как правило, q>>q_е, и расходом, идущим на наполнение бассейна, можно поэтому пренебречь, и считать q = q₀. Такой подход приводит к некоторому завышению расчетной скорости инфильтрации и отдачи (на величину емкости бассейна) во второй период. Оно может быть, однако, компенсировано, если не учитывать фильтрационный расход в период сработки уровня воды в бассейне (q = - q_е) и его отдачу в этот период, полностью совпадающую с емкостью бассейна.

Такой подход целесообразен, так как при этом не изменяется общая отдача и средняя скорость инфильтрации за фильтроцикл, а техника расчета значительно упрощается.

Время опорожнения бассейна может быть задано. Обычно оно не превышает 5-10 сут.

Если сработка уровня воды в бассейне идет недопустимо медленно, то целесообразно принудительное его опорожнение.

11.13. При расчетах производительности инфильтрационных бассейнов необходимо учитывать рост сопротивления грунтов вследствие выпадения из воды содержащихся в ней взвешенных частиц механического и органического происхождения.

В связи с тем, что грунты основания бассейнов в большинстве случаев представлены песками, а в гравийно-галечниковых отложениях устраивается песчаная загрузка, рост сопротивления их обусловливается в основном образованием на поверхности дна бассейна (или загрузки) слоя илистой пленки (осадка). Процессы собственно кальматажа, т. е. отложения взвешенных частиц в порах грунта песчаного основания, обычно происходят лишь в первый, сравнительно короткий период, продолжительность которого оценивается по так называемой грязеемкости грунта N. Допустимо принять, что период кольматации песков основания бассейнов совпадает с периодом растекания воды по его дну тонким слоем (t₁).

Только в отдельных случаях (например, в гравелисто-галечниковых грунтах с крупным заполнителем и при гравийной загрузке дна) кольматаж может иметь место в течение более или менее длительного времени.

В соответствии со сказанным расчеты фильтрации из бассейнов в основные периоды его работы (второй и третий) в системах хозяйственно-питьевого водоснабжения, как правило, производятся по схеме пленочной фильтрации.

Динамику формирования илистой пленки на дне бассейнов можно выразить следующей зависимостью:

, (93)

где - толщина пленки; М - содержание взвешенных частиц (ее мутность); - объемная масса скелета пленки; t - время.

Уравнение (93), а также соотношения

q = k_п (94)

или

q = k_п (95)

соответственно для режимов q = const и H = const,

где k_n - коэффициент фильтрации пленки; Н - напор, под которым происходит инфильтрация, явились основополагающими для получения расчетных зависимостей (табл. 34).

Таблица 34

Примечание. Инфильтрация через откосы бассейна не учитывается, что дает определенный запас в результатах расчетов (несколько уменьшается эффективность пополнения).

Поскольку коэффициент фильтрации естественного грунта основания k намного превосходит коэффициент фильтрации осадка-пленки (k>>k_п), можно считать, что движение воды в грунте основания происходит с неполным насыщением пор. В этом случае напор Н равен глубине воды в бассейне.

Принято также, что илистая пленка несжимаема, и ее фильтрационные свойства остаются неизменными во времени.

11.14. Общая продолжительность фильтроцикла Т назначается в зависимости от числа намечаемых чисток бассейна в году, которая в свою очередь, определяется климатическими условиями района, качеством сырой воды, подаваемой на пополнение, режимом работы бассейна, требуемой средней за фильтроцикл скоростью инфильтрации и т. д. и может уточняться в процессе проведения расчетов.

Обычно для бассейнов в песчаных грунтах, а также в гравийно-галечниковых отложениях с песчаной загрузкой дна предусматриваются одна-две чистки в течение года; в соответствии с этим продолжительность фильтроцикла Т составляет 180-365 сут. Продолжительность опорожнения бассейна t₄, как уже отмечалось, не должна превышать 10 сут. Продолжительность периода чистки t₅ допустимо принимать: 15 сут при чистке вручную и 5 сут при чистке механизмами.

Восстановление фильтрующей способности инфильтрационных сооружений во многих случаях производится лишь раз в год в период весеннего паводка, во время которого подача воды на инфильтрацию прекращается из-за большого содержания в ней взвеси. Общая продолжительность периода t¢, в течение которого вода на инфильтрацию не подается, должна определяться при этом продолжительностью паводка, устанавливаемой по данным гидрогеологических ежегодников. В большинстве случаев этот период значительно превышает продолжительность четвертого и пятого периодов (t₄ t₅) эксплуатации бассейнов.

Именно эта величина должна вводиться в расчетные формулы вместо t₄ + t₅. Расчетное значение мутности М устанавливается по данным гидрогеологических ежегодников как среднее за рабочий цикл его эксплуатации. При необходимости проводятся специальные исследования по определению мутности.

Если проектом предусматривается предварительная подготовка воды, подаваемой на инфильтрацию, то расчетная мутность назначается с учетом уменьшения мутности речной воды на очистных сооружениях.

При расчете бассейнов, работающих на режиме H = const или смешанном, за исходную должна быть назначена величина q_о = q₁ = q_2.

Для бассейнов в среднезернистых и крупнозернистых песках, характеризующихся коэффициентами фильтрации 10-60 м/сут и эксплуатирующихся на смешанном режиме, расход о воды колеблется обычно в пределах 1-3 м/сут. Для бассейнов в мелкозернистых песках и супесях величина этого расхода может быть уменьшена до 0,25-0,5 м/сут.

При эксплуатации бассейна на режиме H = const величина первоначального расхода является максимальной и может достигать 5 м/сут и более.

Предельная глубина воды в бассейне определяется его конструкцией.

По формулам таблицы вычисляются t₁, W₁, t₂, W₂. Затем по зависимости (91) определяется продолжительность третьего периода t₃, по формуле (100) -значения расходов в различные моменты времени, а по формуле (101) -величина отдачи в этот период.

Для бассейнов, работающих на режиме q = const (см. рис. 52), задача сводится в решению системы из трех уравнений. Одним из них является зависимость (91), вторым-формула (96) и третьим - выражение (98).

Формула для определения qy, имеет при этом следующий вид:

. (102)

Далее по формулам таблицы вычисляются t₁, W₁, t₂, W₂. В результате расчетов инфильтрационных бассейнов должны быть составлены графики q = f(t), охватывающие все периоды работы бассейна.

Рис. 53. График зависимости грязеемкости песков от эффективного диаметра их частиц d_эф

Средняя скорость инфильтрации за фильтроцикл определяется из соотношения

, (103)

где W = - общая отдача бассейна за фильтроцикл.

11.15. Практическое пользование приведенными в табл. 34 формулами и соотношениями невозможно, если отсутствуют фактические значения входящих в них параметров N, k_п, _ск (последние два параметра заменяются обычно их произведением А). Грязеемкость N зависит от состава и свойства песка грунта основания и взвеси (в частности, от их механического состава), величины мутности воды, подаваемой на инфильтрацию, и скорости последней. Эта величина наиболее надежно устанавливается экспериментально. При отсутствии экспериментальных данных допустимо воспользоваться кривой рис. 53, устанавливающей связь грязеемкости с эффективным диаметром подстилающего дно бассейна грунта.

Рис. 54. График зависимости обобщенного параметра A = К от процентного (по весу) содержания в воде, подаваемой на инфильтрацию, мелкопылеватых и глинистых фракций Р

Наиболее надежное определение параметра A производится посредством проведения исследований на опытном бассейне, инфильтрометре или фильтрационном, приборе с использованием зависимостей для A, полученных из формул табл. 34 или путем непосредственного определения величин k_п и _ск при обследовании экспериментального бассейна после его опорожнения.

Допустимо также оценивать A по графику (рис. 54), устанавливающему зависимость этого параметра от процентного, весового содержания в воде, подаваемой на инфильтрацию, глинистых и мелкопылеватых фракций Р.

11.16. Восстановление производительности открытых инфильтрационных сооружений осуществляется обычно путем съема вручную или механизмами пленки и наиболее загрязненного слоя песка толщиной 1,5-3 см.

Значительно реже применяются гидравлические способы регенерации.