ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84) 

часть 3

документ является продолжением документа

ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84)  часть 2

11. ИСКУССТВЕННОЕ ПОПОЛНЕНИЕ ЗАПАСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД (ИППВ)

Общие положения

11.1. В качестве источника искусственного пополнения запасов подземных вод могут быть использованы поверхностные воды рек, водохранилищ, озер, каналов, а в отдельных случаях также шахтные и дренажные воды, используемые на установках кондиционирования воздуха или на системах охлаждения производственного оборудования и аппаратуры, и некоторые другие виды незагрязненных сточных вод. Источником пополнения водоносного горизонта может служить также другой водоносный горизонт.

11.2. Использование метода искусственного пополнения позволяет увеличивать производительность водозаборов подземных вод, обеспечивать более равномерную их эксплуатацию, улучшить качество подаваемой потребителю воды, предохранять эксплуатируемый водоносный горизонт от загрязнения и засоления, предотвращать, нежелательное понижение уровня подземных вод, приводящее к гибели растительности, высыханию водоемов и т.д.

Наиболее благоприятные условия для искусственного пополнения создаются в районах с теплым и умеренным климатом, при использовании в качестве источника пополнения озер и рек, обладающих достаточным стоком в течение всего года и требуемым качеством воды, при эксплуатации сложенного хорошо проницаемыми породами безнапорного водоносного горизонта (если исключена возможность его загрязнения), при малых мощностях покровных слабопроницаемых отложений и отсутствии в водоносном горизонте выдержанных прослоев слабопроницаемых грунтов, препятствующих или сильно затрудняющих фильтрацию воды.

Целесообразность применения метода искусственного пополнения подземных вод с учетом перечисленных факторов устанавливается на основании технико-экономических расчетов.

11.3. Для осуществления искусственного пополнения запасов подземных вод предусматриваются сооружения для забора воды из источника пополнения, предварительной ее подготовки и собственно инфильтрационные сооружения, через которые производится подача (инфильтрация) воды в водоносный пласт. Указанные сооружения вместе с водозаборными (каптажными) сооружениями, резервуарами чистой воды, насосными станциями второго подъема и т. д. составляют систему искусственного пополнения (СИП). Некоторые возможные схемы СИП показаны на рис. 46 и 47.

Рис. 46. Компоновочная схема СИП ври однорядном расположении каптажных и инфильтрационных сооружений

1 - поверхностный источник; 2 - водозабор; 3 - насосная станция 1-го подъема; 4 - сооружения предварительной подготовки; 5 - скважины; 6 - нефильтрационные сооружения; 7 - сооружения последующей обработки воды; 8 - насосная станция 2-го подъема; 9 - резервуар чистой воды; 10 - установка для обеззараживания.

Рис. 47. Компоновочная схема СИП при двухрядном расположении бассейнов и контурном размещении скважин

1 - поверхностный источник; 2 - водозабор; 3 - насосная станция 1-го подъема; 4 - сооружения предварительной подготовки; 5 - скважины; 6 - инфильтрационные бассейны; 7 - сооружения последующей обработки; 8 - насосная станция 2-го подъема; 9 - резервуар чистой воды; 10 - установка для обеззараживания

11.4. Инфильтрационные сооружения систем искусственного пополнения разделяются на два основных типа: открытые и закрытые.

Открытые инфильтрационные сооружения

11.5. Открытые инфильтрационные сооружения (бассейны, каналы, площадки, канавы, борозды и т. д.) применяются для пополнения запасов подземных вод первого от поверхности земли водоносного горизонта при отсутствии или малой мощности покровных слабопроницаемых отложений.

Открытые инфильтрационные сооружения являются наиболее подходящими для районов, характеризующихся короткими периодами отрицательных температур или их отсутствием.

В отдельных случаях может, однако, оказаться целесообразным использование открытых инфильтрационных сооружений и в районах - с суровым климатом, особенно при наличии в водоносном пласте большой регулирующей емкости.

Наибольшее применение в СИП получили инфильтрационные бассейны, реже - каналы.

В качестве открытых инфильтрационных сооружений могут также использоваться естественные и искусственные понижения рельефа (овраги, балки, староречья, высохшие озера, карьеры, пруды), а также русла временных и постоянных водотоков, которые расчищаются,

перегораживаются валами, земляными перемычками или каменными набросками.

11.6. При проектировании открытых инфильтрационных сооружений решаются следующие основные задачи:

а) выбор типа инфильтрационных сооружений;

б) назначение их габаритов и конструкций;

в) установление режима эксплуатации;

г) прогноз производительности отдельных инфильтрационных сооружений;

д) определение способа регенерации сооружений и соответствующих технических средств.

11.7. Инфильтрационные бассейны имеют, как правило, прямоугольную форму в плане и трапецеидальное (реже прямоугольное) поперечное и продольное сечения.

На крупных установках искусственного пополнения применяются бассейны шириной по дну 15-30 м, длиной 200-400 м. Глубина бассейна обычно не превышает 3-4 м (чаще до 2,5 м). При наличии слабопроницаемых покровных отложений днища бассейнов должны врезаться в хорошо фильтрующие породы на глубину не менее 0,5 м. Общая глубина бассейна от днища до верха откоса должна превышать глубину его наполнения не менее чем на 0,5 м.

Заложение откосов бассейнов принимается в пределах от 1 :1 до 1 :3,5. Один из торцевых откосов бассейна может быть более пологим, чем остальные. Заложение его определяется возможностью съездов и въездов машин и механизмов, используемых для чистки бассейна. Иногда съезды и въезды предусматриваются на продольных откосах бассейна.

11.8. Инфильтрационные бассейны могут устраиваться:

а) без загрузки дна (рис. 48, а);

б) с песчаной загрузкой дна (рис. 48, б);

в) с гравийной загрузкой дна (рис. 48, а);

г) с укладкой под днищем бассейна дренажных труб и последующей обсыпки слоями гравия и песка (рис. 48, г).

Рис. 48. Схемы инфильтрационных бассейнов

а - без загрузки дна; б - с песчаной загрузкой дна; в - с гравийной загрузкой; г - с дренами под днищем бассейна; 1 - крепление; 2 - песчаная загрузка; 3 - гравийная загрузка; 4 - дрены

Песчаная и гравийная загрузка дна предусматривается при устройстве бассейнов в гравийно-галечниковых отложениях. Толщина загрузки составляет 0,5-0,8 м. Крупность зерен песчаной загрузки 0,5-2 мм, гравийной 3-8 мм.

Подача воды в Инфильтрационные бассейны может производиться с помощью (рис. 49):

а) одного или двух водовыпусков, размещенных в середине продольного откоса бассейна или в его торцевых откосах (рис. 49, а);

б) аэрационных каскадов, устраиваемых на одном или обоих продольных откосах бассейна (рис. 49, б);

в) разбрызгивающих сопел (рис. 49, в).

Рис. 49. Типовые схемы подачи воды на инфильтрацию

а - сосредоточенная подача; б - аэрационный каскад; в - равномерное распределение воды (разбрызгивающие сопла); 1 - подводящая труба; 2 - лоток; 3 - каскад; 4 - крепление; 5 - распределитель

Во втором и третьем случаях достигается хорошее насыщение воды, поступающей на инфильтрацию, воздухом.

11.9. На инфильтрационных бассейнах должны устраиваться входные узлы для регулирования и измерения подаваемых в бассейны расходов воды, предупреждения их переполнения, а при необходимости - для предотвращения размыва днищ бассейнов.

Возможные схемы оборудованных регуляционно-измерительными устройствами входных узлов инфильтрационных бассейнов, получающих воду из закрытой и открытой распределительных сетей, показаны на рис. 50 и 51.

Рис. 50. Схема входного узла (закрытая распределительная сеть)

1 - водовыпускное устройство; 2 - водослив; 3 - труба, связывающая "мокрый колодец с бассейном"; 4 - ограничитель уровня дроссельно-поплавкового типа; 5 - люки; 6 - водомер; 7 - задвижка; 8 - распределительный трубопровод

Рис. 51. Схема входного узла с водосливом

1 - канал; 2 - паз для шандро (или щитовой затвор); 3 - задвижка (засыпка); 4 - механизм управления; 5 - дырчатая стенка; 6 - рейка: 7 - водослив; 8 - к бассейну

В первом варианте регулирование расходов осуществляют задвижкой, а измерение - турбинным водомером и диафрагмой. Во втором варианте в качестве регулирующего устройства предусматривается заслонка (задвижка), в качестве измерительного - прямоугольный водослив.

Рабочие чертежи типовых конструкций входных узлов разработаны Союзводоканалпроектом.

Во многих случаях, однако, специальных входных узлов на бассейнах можно не делать, подачу и уровень регулировать задвижками, а величину расхода определять по замерным трубкам диафрагм, установленных у концевого сечения трубопроводов, подводящих воду к бассейнам, или по сработке уровня воды в бассейнах в период их кратковременного отключения.

Режим работы бассейнов

11.10. Инфильтрационные бассейны эксплуатируются на режиме q_o = const (постоянной подачи), H_м = const (быстрого наполнения) или смешанном.

При первом режиме в течение всего рабочего периода подается постоянный расход воды q_о (рис. 52, а). Работа на таком режиме сопровождается медленным и равномерным подъемом уровня воды в бассейне. К концу рабочего периода этот уровень достигает допустимого для бассейна максимума H_м.

Второй режим (рис. 52, б) характеризуется подачей в бассейн сразу после пуска его в работу повышенных расходов воды, что приводит к быстрому достижению предельно возможных уровней H_м.

Рис. 52. Режимы работы инфильтрационных бассейнов

а - упрощенный, q = const, б - упрощенный, H = const; в - сложный

Работа на режиме быстрого наполнения может оказаться целесообразной при наличии на дне бассейна мелкозернистых песков или супесей (грунтов, заведомо не способных кольматироваться на значительную глубину) в тех случаях, когда пуск бассейна в работу приурочен ко времени наступления отрицательных температур, а также тогда, когда имеется возможность последовательной, растянутой на значительное время чистки бассейна.

Эксплуатация бассейнов на смешанном (сложном) режиме производится обычно на крупных системах искусственного пополнения. Рабочий цикл бассейна, эксплуатируемого на смешанном режиме, состоит из трех периодов: t₁ - затопления дна бассейна тонким слоем; t₂ - наполнения его до предельного уровня Н_м (q₀ = const); t₃-поддержания этого уровня постоянным.

При первом режиме (q_o = const) отсутствует период t₃ при втором режиме периоды t₁ и t₂ очень кратковременны. По истечении paбочего цикла, когда при постоянной подаче уровень воды в бассейне достигнет максимальной величины Н_м (первый режим) или фильтрационный расход из бассейна при постоянном уровне Н_м снижается до таких величин, при которых дальнейшая эксплуатация бассейна становится нецелесообразной (второй и третий режимы), подача воды - в бассейн прекращается и за время t₄ уровень в бассейне и расход из него падают практически до нуля, после чего производится чистка бассейна (длительность периода чистки - t₅).

В совокупности весь период эксплуатации бассейна называется фильтроциклом (T)

T = t₁+ t₂+ t₃+ t₄+ t₅. (91)

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.

Закрытые инфильтрационные сооружения

11.17. В зависимости от характера размещения в водоносном пласте закрытые инфильтрационные сооружения подразделяются на горизонтальные и вертикальные.

Горизонтальные закрытые инфильтрационные сооружения - трубчатые дрены, галереи и штольни - не нашли широкого применения в практике пополнения запасов подземных вод, что объясняется отсутствием эффективных методов восстановления их производительности и несовершенством самих конструкций.

Наибольшее распространение получили вертикальные закрытые инфильтрационные сооружения-главным образом буровые скважины и сравнительно редко шурфы и шахтные колодцы.

11.18. Буровые скважины по назначению и условиям эксплуатации можно подразделить на следующие типы:

поглощающие скважины (рис. 55);

дренажно-поглощающие скважины (см. рис. 55).

Рис. 55. Конструкции поглощающих и дренажно-поглощающих скважин

а - поглощающая скважина; б - дренажно-поглощающая скважина; 1 - фильтровый каркас; 2 - обсадка; 3 - отстойник; 4 - пробка; 5 - эксплуатационная колонна; 6 - кондуктор; 7 - затрубная цементировка; 8 - сальник; 9 - наблюдательная скважина; 10 - затрубный пьезометр

Поглощающие скважины подают воду непосредственно в эксплуатируемый пласт. Они эксплуатируются как в режиме (налива) при самотечной подаче воды, так и в режиме принудительной закачки под давлением.

Поглощающие скважины, как правило, сооружаются большим диаметром с установкой фильтров из антикоррозионных материалов и устройством гравийной обсыпки. Схема компоновки входного узла поглощающей скважины показана на рис. 56.

Рис. 56. Схема входного узла поглощающей скважины (план и разрез I-I)

1 - поглощающая скважина; 2 - наблюдательная скважина; 3 - пьезометр; 4 - водомер; 5 - задвижка; 6 - манометр; 7 - вантуз

Дренажно-поглощающие скважины предназначены для дренирования верхнего водоносного горизонта с подачей воды в нижний пласт. Эти скважины оборудуются фильтрами на оба горизонта. Для улучшения условий дренирования или перетока гравийная обсыпка может устраиваться не только в интервале установки фильтров, но и в пределах слабопроницаемой прослойки.

Помимо указанных выше типов скважин в ряде случаев используются установки двойного назначения, работающие попеременно в режиме закачка-откачка. Такие установки используются, например, для обогащения подмерзлотного водоносного горизонта.

Схема входного узла установки показана на рис. 57.

Рис. 57. Схема входного узла скважины двойного назначения (план и разрез I-I)

1 - скважина двойного назначения; 2 - наблюдательные скважины; 3 - затрубный пьезометр; 4 - водомер; 5 - задвижки; 6 - манометр; 7 - вантуз; 8 - подводящая линия; 9 - напорная линия; 10 - сборная линия

11.19. Для контроля за работой скважин необходимо предусмотреть соответствующее оборудование для:

а) измерения расхода и количества воды, поступившей в пласт за время эксплуатации скважин;

б) регулирования подачи воды в скважину и полного отключения скважины от питающего водовода;

в) измерения динамических уровней воды в скважине на контуре обсыпки и вблизи скважины.

Оценка производительности закрытых инфильтрационных сооружений

11.20. На начальном этапе эксплуатации поглощающих скважин, как правило, осуществляется с постоянным расходом (Q = const). За счет кольматажа возрастает напор Н на устье скважины, и к некоторому моменту времени t_i он становится равным допустимому значению H_доп. В частном случае, если скважина работает в режиме самопоглощения (т. е. осуществляется свободный налив в нее воды), величина H_доп принимается равной отметке устья. С момента времени t₂ скважина может эксплуатироваться как при H = H_доп = const, так и при Q = const. В последнем случае устье скважины герметизируется, и подача воды производится насосом. На практике целесообразнее осуществлять эксплуатацию скважин в режиме Q = const.

11.21. Для поглощающих скважин, работающих в режиме Q = const, повышение напора составит

, (104)

где - повышение напора в пласте над первоначальным уровнем, обусловленное так называемым внешним сопротивлением; - потери напора, связанные с внутренним сопротивлением в скважине и прискважинной зоне.

Первая из указанных составляющих формулы (104) () определяется по обычным формулам подземной гидравлики и может быть представлена в виде

, (105)

где k и m - коэффициент фильтрации и мощность пласта (в безнапорных пластах m0,8h_e, где h_e - первоначальная глубина воды до водоупора); R - функция внешнего гидравлического сопротивления, определяемая в зависимости от размеров и геометрической формы водоносного пласта, условий на его границах, а также размеров скважины.

Теоретически процесс закачки воды в скважину и откачки из нее описывается одними и теми же исходными уравнениями (изменяется лишь знак перед величиной дебита Q: при откачках Q<0, а при закачках и наливах Q>0). В связи с этим применительно к наиболее распространенным схемам фильтрации в системах искусственного пополнения запасов подземных вод величина может рассчитываться по формулам, приведенным в гл. 5.

11.22. Вторая составляющая формулы (104) (_скв) определяется следующим образом:

; , (106)

где - величина внутреннего сопротивления, а индексами "н.с" и "к" обозначены величины, обусловленные неполнотой вскрытия пласта и кольматажем.

По существу, в процессе эксплуатации поглощающих скважин необходимо прогнозировать изменение величины к. Сопротивление же _н.с, как правило, во времени не изменяется; оно определяется на начальном периоде эксплуатации скважин по формулам, приведенным в гл. 5.

11.23. Закономерности роста дополнительного сопротивления в значительной степени обусловливаются конструктивными особенностями водоприемной части скважин, литологическим строением водоносного пласта и качеством закачиваемой воды.

Можно предполагать, как это было сделано при рассмотрении фильтрации из открытых бассейнов, что в водоносных пластах, представленных мелкими и среднезернистыми более или менее однородными песками, дополнительное сопротивление скважин к обусловлено в основном образованием пленки на внутренней поверхности фильтра.

В водоносных пластах, представленных крупнозернистыми песками или гравийными отложениями, происходит проникновение частиц взвеси в поры грунта, сопровождающееся кольматажем призабойной зоны скважин. В этом случае величина к определяется сопротивлением закольматированного слоя пород и фильтра

11.24. Динамика роста пленки на стенке скважины определяется следующим выражением:

, (107)

где М - мутность закачиваемой воды; _ск - объемный вес частиц взвеси; т - мощность пласта; r - радиальная координата; t - время.

Интегрируя (107) от (0, r_о) до (), где r_о - радиус фильтра скважины; - толщина слоя образующегося осадка-пленки, получим:

;

. (108)

Фильтрационный эффект пленки, образующейся на внутренней поверхности фильтра, можно учесть, рассматривая пласт, состоящий в плане из двух концентрических зон с различной проницаемостью: первая зона водоносного пласта с коэффициентом фильтрации k; вторая зона толщиной с коэффициентом фильтрации k_n. В этом случае дополнительное сопротивление, вызванное образованием пленки, определяется по следующей формуле:

. (109)

Учитывая, что а<<1, для практических расчетов можно ограничиться разложением ln(l-a₁) = -a₁, и последнюю формулу записать в виде

, (110)

где A₁ = .

11.25. При кольматации грунтов в прискважинной зоне наблюдается постепенное накопление осадка и уменьшение во времени коэффициента фильтрации.

Изменение коэффициента фильтрации пород связано с количеством отложившегося кольматанта уравнением вида

, (111)

где k¹ - коэффициент фильтрации пород, изменяющийся в процессе кольматажа, и k - его начальное значение; b - удельный объем отложений; n_о - пористость пород; z - показатель степени (z = 2,83,3).

График зависимости k^l/k = f(b/n_o) представлен на рис. 58. В диапазоне изменения b/n_о<<0,7 уравнение (111) приводится к виду

k¹ = k.(1-2b/n_o). (112)

Рис. 58. Графики изменения k^'/k в функции В/n₀

Для поглощающих скважин, работающих с постоянным расходом закачки, динамика роста потерь напора в зоне кольматажа дается выражением

, (113)

где k(r,t), - принимается согласно (111) или (112), а величина b(r, t), входящая в эти формулы, определяется из решения задачи динамики осаждения взвеси.

Когда задержание взвеси подчиняется линейному уравнению кинетики 1-го порядка, распределение кольматанта в прифильтровой зоне описывается уравнением

b(r,t) = , (114)

где , .

Здесь a - коэффициент, характеризующий скорость отложения кольматанта; N - грязеемкость пород (в природных условиях величина обычно не превышает (0,4-0,5) n_о и лишь при специальных видах обработки воды реагентами может увеличиваться до (0,8-0,85) n_о.

Для практических расчетов можно ограничиться случаем, когда N₀<<0,4n_о. Тогда, интегрируя (113) с учетом (112) и (114), будем иметь следующее приближенное выражение:

/ (115)

Размеры зоны кольматажа определяются из условия, что на границе при r = r(t) значение k¹/k не превышает некоторой наперед заданной величины. Тогда, принимая k¹/k = 0,95, из (112) находим b[r(t), t] = 0,025 п_о, а из (114) следует, что

. (116)

Закономерности изменения дополнительного сопротивления во времени, соответствующие рассмотренным выше случаях, приведены на рис. 59.

Рис. 59. Графики роста сопротивления скважин

а - в результате образования пленки; б - обусловленный кольматацией - накоплением взвеси в порах пород прискважинной зоны (в равновесных условиях)

Для прогноза величины _к необходимо располагать данными: а) при пленочном кольматаже величинами k_n, М, _ск, и б) при кольматаже пород величинами N, , М, _ск. Эти данные могут быть получены на основе наблюдений за работой поглощающих скважин на начальном этапе их эксплуатации.

По этим данным уточняются и корректируются намеченные в проектах режимы эксплуатации поглощающих скважин и сроки их регенерации.

Проектирование и расчет водозаборов в системах искусственного пополнения подземных вод

11.26. При проектировании водозаборов подземных вод в системах ИППВ решаются следующие основные задачи:

а) выбор рациональных типов, конструкций, схем размещения водозаборов с учетом гидрогеологических условий, а также намечаемых инфильтрационных сооружений и режима их работы;

б) оценка производительности водозаборов в условиях их взаимодействия с инфильтрационными сооружениями;

в) оценка расходов сырой воды, которую необходимо подать на пополнение подземных вод для достижения заданной производительности водозаборов;

г) определение .коэффициента полезного действия инфильтрационных сооружений и общей гидродинамической эффективности проектируемой системы ИППВ;

д) оценка возможного влияния проектируемых водозаборов на существующие водозаборы, а также на поверхностные водные источники.

11.27. Объем мероприятий по искусственному пополнению запасов подземных вод намечается исходя из необходимого дополнительного количества воды Q_бв, которое должно обеспечиваться фильтрацией Q_б из искусственных сооружений (бассейнов, каналов и т.д).

При этом Q_бв = . (117)

Параметр представляет собой КПД инфильтрационных сооружений.

Тип инфильтрационных сооружений, необходимых для обеспечения требуемого дебита водозабора, назначается исходя из гидрогеологической обстановки участка, глубин залегания водоносного пласта, положения уровней подземных вод, мощности и строения зоны аэрации, качества и, особенно, мутности воды в источнике пополнения.

11.28. Наиболее часто применяемыми типами водозаборных или собственно каптажных сооружений в системах ИППВ являются различным образом расположенные взаимодействующие скважины.

В отдельных случаях, как правило, при малой мощности намечаемого к использованию водоносного горизонта устраиваются шахтные колодцы, лучевые водозаборы или горизонтальные водозаборы Конструкции скважин и Других названных типов водозаборов в системах ИППВ не отличаются от таковых в обычных водозаборах подземных вод, эксплуатируемых без искусственного пополнения запасов.

11.29. Расположение водозаборов в плане принимается исходя из условия обеспечения наиболее эффективного их взаимодействия с инфильтрационными бассейнами и каналами (или другими искусственными сооружениями для инфильтрационного питания водоносного горизонта), а в береговых водозаборах - и с поверхностными водотоками и водоемами. Обычно водозаборы размещаются по линиям, параллельным инфильтрационным сооружениям и руслам поверхностных водотоков и водоемов. Водозаборные сооружения могут располагаться как ниже инфильтрационных бассейнов по потоку подземных вод, так и выше бассейнов.

В первом случае водозабором наиболее полно используются инфильтрационные воды и лишь частично-естественный расход подземного потока Во втором случае естественный расход потока перехватывается водозабором почти полностью, а инфильтрационные воды - частично

Расстояния между водозаборными скважинами и инфильтрационными бассейнами устанавливаются по возможности минимальными, но так, чтобы длительность фильтрации сырой воды из бассейна до водозаборных скважин была достаточной для очистки воды от бактериального и Других видов загрязнения и обеспечения требуемого качества воды в водозаборах с учетом возможного смешения инфильтрационной воды с природными водами эксплуатационного пласта. Обычно на практике указанные расстояния принимаются равными 50-200 м.

Часто в качестве инфильтрационных сооружений в долинах рек могут быть использованы высохшие озера, староречья, протоки и т. д.

Местоположение водозаборных скважин в этом случае должно устанавливаться с учетом конфигурации указанных естественных понижений, а водозаборы подземных вод могут включать в себя, как и в системах с искусственными инфильтрационными сооружениями, группы взаимодействующих скважин, линейный ряд или систему рядов эксплуатационных скважин.

11.30. Дебит водозаборного сооружения в условиях пополнения подземных вод или расход воды из инфильтрационных сооружений может быть найден по следующим соотношениям:

, (118)

где - гидродинамический коэффициент полезного действия инфильтрационных сооружений; - гидродинамический коэффициент эффективности пополнения подземных вод.

Методика расчета понижения уровня S под влиянием водозаборных (каптажных) сооружений, работающих без искусственного пополнения подземных вод, изложена в гл. 6. В п. 11.31 приводятся указания по определению величины - повышение уровня в результате инфильтрации сырой воды из бассейнов, каналов и т. п.

11.31. Как уже отмечалось, при работе инфильтрационных сооружений выделяются несколько стадий режима свободной инфильтрации, в совокупности составляющих один рабочий фильтроцикл. Указанные стадии систематически повторяются в течение всего периода эксплуатации водозабора и, таким образом, работа бассейна носит периодический характер. Вследствие этого величину подъема уровня подземных вод при работе инфильтрационного сооружения можно представить в виде:

для безнапорного пласта

; (119)

;

для напорного пласта

. (120)

Первый член в формулах (119) и (120) - - характеризует основную часть общего повышения уровня и определяет среднее положение уровня подземных вод в результате пополнения. Относительно этого среднего положения в пределах каждого цикла продолжительностью T происходят колебания уровня h, которые при достаточно большом количестве фильтроциклов приобретают квазиустановившийся характер, т. е. повторяются на каждом цикле.

Среднее повышение уровня подземных вод за счет работы инфильтрационных сооружений находится по формулам:

для безнапорного пласта

; (121)

для напорного пласта

, (122)

где R_б - гидравлическое сопротивление, определяющее среднее повышение уровня.

Некоторые выражения для определения функции R_б, а также R_бo, характеризующей максимальное повышение уровня грунтовых вод под центром сооружения, приводятся в табл. 35. Все расчетные зависимости справедливы для относительно больших промежутков времени.

В табл. 35 рассматриваются инфильтрационные сооружения в виде бассейнов и каналов, а также круговые инфильтрационные площадки. Решения для круговых площадок могут быть использованы также для расчета инфильтрационных бассейнов, в плане имеющих вид прямоугольника.

Расчетные зависимости приведены для условий стационарной фильтрации, характерной для береговых инфильтрационных сооружений, расположенных у реки [формулы (123)-(138)], и неустановившейся фильтрации, когда инфильтрационные сооружения расположены в удалении от реки.

Таблица 35

При наличии нескольких бассейнов одного или различных типов общая величина гидравлического сопротивления Р_б находится суммированием сопротивлений каждого бассейна в отдельности. В этом случае

, (139)

где Р_бl - гидравлические сопротивления, обусловленные фильтрацией из каждого i-го бассейна: _i = Q _бi /Q_б; Q_б = - суммарный расход из всех бассейнов, i = 1, 2, ... n - число бассейнов.

Поправка, учитывающая несовершенство водотоков, вблизи которых располагаются бассейны, каналы и другие сооружения, определяется аналогично тому, как это рекомендовано для водозаборов (см. гл. 6).

11.32. При относительно большом числе инфильтрационных сооружений и разновременной чистке их суммарный расход поверхностных вод на пополнение слабо изменяется во времени. Для расчета эффективности пополнения подземных вод в этом случае можно ограничиться определением лишь среднего уровня, принимая = 0.

В случае резко выраженной неравномерности искусственного питания, поступающего на поверхность подземных вод из инфильтрационных сооружений (при малом числе бассейнов, длительной их остановке на чистку, небольших допустимых понижениях уровня), в расчетах необходимо учитывать величину , представляющую собой периодическое отклонение уровня подземных вод от среднего положения Численная величина может быть найдена по формулам:

для безнапорного потока

, (140)

для напорного потока

. (141)

Приближенная оценка гидравлического сопротивления может быть сделана с учетом изменения величины инфильтрационного питания только на последних двух фильтроциклах из общего их количества. Эти циклы схематически представляются в виде двух прямоугольников (рис. 60).

, (142)

где - превышение инфильтрационного расхода в период (t₁+ t₂) работы бассейна (от начала фильтроцикла до начала чистки бассейна) над средним расходом Q_б; W - общий объем воды, фильтрующийся из бассейна за один фильтроцикл.

Представляя изменение уровня как результат двукратной закачки расхода в течение времени (t₁+ t₂) и откачки расхода Q_б за период t₃ = T-t₁- t₂ , получим следующий вид общей расчетной формулы для определения гидравлического сопротивления :

, (143)

где .

В выражении (143) R_б - гидравлическое сопротивление инфильтрационного бассейна, учитывающее неустановившийся характер фильтрации и определяемое по табл. 35 для водораздельных сооружений.

Формула (143) справедлива при t*>t₁+t₂. Если t*<t₁+t₂, в формуле (143) следует отбросить последний член.

Рис. 60. Схема к расчету

В случае, если размеры инфильтрационных сооружений малы, для приближенной оценки величины инфильтрационные площадки (каналы) следует заменять источниками-скважинами, располагаемыми в середине канала или в центре бассейна.

Изложенная методика расчета водозаборов в системах искусственного пополнения с открытыми инфильтрационными сооружениями применима также для поглощающих и дренажно-поглощающих скважин. При определении величины , которая обусловлена средним расходом Q_б закрытых инфильтрационных сооружений, следует принимать значения R_б и R_бo как для водозаборов (см. гл. 5), так как в этом случае R_б R и R_бо = R_о.

11.33. Одним из основных показателей гидродинамической эффективности работы водозаборных и инфильтрационных сооружений в системах ИППВ является коэффициент полезного действия инфильтрационных сооружений h. Параметр h представляет собой отношение расхода воды, дополнительно поступающей к водозабору при работе инфильтрационных сооружений, к общему среднему расходу подаваемой на пополнение воды, т. е.

, (144)

где Q_бв - расход воды, дополнительно привлекаемый водозабором в условиях пополнения.

Величина коэффициента определяется не только параметрами и расположением инфильтрационных сооружений, но также типом и расположением водозаборных скважин.

Кроме того, эффективность инфильтрационных сооружений зависит также от режима их эксплуатации. Коэффициент полезного действия бассейнов оказывается наиболее высоким при равномерном поступлении инфильтрационной воды в водоносный пласт. Неравномерность инфильтрации из бассейнов приводит к снижению эффективности ИППВ (при постоянном расходе водозаборного сооружения). Чтобы избежать этого, при проектировании инфильтрационных сооружений следует предусмотреть возможность разновременной их чистки. Уменьшить влияние неравномерности работы инфильтрационных сооружений на величину коэффициента полезного действия можно также, если продолжительность фильтроцикла, характер изменения инфильтрационного расхода при искусственном пополнении и периоды чистки бассейнов назначать таким образом, чтобы наименьшие повышения уровня при пополнении (периоды остановки бассейнов) приходились на периоды высокого положения бытового уровня грунтовых вод (периоды паводков и интенсивных осадков).

При осуществлении указанных мероприятий дополнительные колебания уровня будут малы по абсолютной величине и коэффициент полезного действия достигает максимального для данной системы ИППВ значения, равного:

, (145)

где R_б - по-прежнему гидравлическое сопротивление бассейна (см. табл. 35), R_о - гидравлическое сопротивление водозабора (см. гл. 5).

Величина коэффициента в соотношении (145) изменяется от нуля до единицы. При значениях , близких к нулю, инфильтрационные бассейны не оказывают существенного влияния на производительность водозаборного сооружения. Значения же коэффициента , близкие к единице, свидетельствуют о весьма высокой эффективности инфильтрационных сооружений. При этом следует иметь в виду, что ввод в действие инфильтрационных сооружений приводит к перераспределению источников питания водозабора. Количество воды, поступающей в водозабор, например, из бытового потока или из реки, в результате фильтрации из бассейнов и других типов инфильтрационных сооружений может как уменьшаться, так и увеличиваться, поэтому коэффициент нельзя рассматривать как показатель использования только инфильтрационных вод. В более полном виде коэффициент полезного действия может быть выражен следующим образом:

, (146)

где - коэффициент использования инфильтрационных вод, показывающий долю используемых водозабором инфильтрационных вод; Q_e - количество воды из естественных источников питания, имеющее различный знак: оно может возрастать или убывать при поступлении инфильтрационных вод и изменении в связи с этим уровня подземных вод.

11.34. Коэффициент эффективности определяет гидродинамическую эффективность мероприятий по искусственному пополнению подземных вод на участке проектируемого водозабора в целом. Он представляет собой отношение расхода воды, дополнительно поступающей к водозабору при работе инфильтрационных бассейнов Q_бв, к общему расходу водозабора, т. е.

. (147)

Численно коэффициент эффективности может быть определен по следующей формуле:

или , (148)

где .

Коэффициент , как и коэффициент , изменяется от нуля, когда влияние инфильтрационных бассейнов на производительность водозабора невелико, до единицы.

В последнем случае мероприятия по искусственному пополнению полностью обеспечивают водоотбор.

В формулах (148) не учитываются периодические колебания уровня , т. е. эти соотношения справедливы при относительно малых колебаниях средней величины искусственного инфильтрационного питания.

11.35. Предварительные гидродинамические расчеты систем ИППВ и сравнительная оценка различных вариантов водозаборов и сооружений по искусственному пополнению подземных вод могут быть сделаны без учета неравномерности работы инфильтрационных бассейнов (т. е., принимая Dh = 0), а также пренебрегая поправками на фильтрационнное несовершенство сооружений и поверхностных водотоков. Эти факторы должны учитываться на последующих стадиях расчетов, уточняющих выбранные схемы водозабора и инфильтрационного сооружения.

В табл. 36 приводятся некоторые схемы водозаборов в комплексе с инфильтрационными сооружениями и соответствующие расчетные зависимости для численного определения гидродинамического коэффициента полезного действия и гидродинамического коэффициента эффективности пополнения . Эти зависимости могут быть использованы для расчета дебита водозабора в условиях искусственного пополнения Q_в, или расходов воды Q_б, подаваемой на пополнение для обеспечения требуемого дебита водозабора, по формулам 118.

11.36. В схеме 1 табл. 36 даются выражения для численного определения параметров гидродинамической эффективности и для случая работы линейного ряда водозаборных скважин относительно большой протяженности вблизи инфильтрационного канала или системы инфильтрационных бассейнов также значительной длины. Как видно из табл. 36, величина коэффициента полезного действия в рассматриваемой схеме определяется параметром , характеризующим относительное удаление скважин водозабора друг от друга.

При больших значениях этого параметра (>2) пополнение подземных вод неэффективно: большая часть инфильтрационных вод не перехватывается скважинами водозабора и стекает в реку или вызывает существенное уменьшение расхода из реки к водозабору.

11.37. В схеме 2 табл. 36 рассматривается действие одиночной скважины вблизи канала ограниченной длины Приведенные здесь зависимости могут быть использованы для расчета взаимодействующих скважин вблизи канала (бассейна), ограниченной длины. Для этого в приведенных соотношениях вместо величины 2х₀ необходимо подставить

, (149)

где _о, ₁... _i - расстояния от зеркального отображения относительно линии реки всех взаимодействующих скважин до скважин с наибольшим понижением уровня

, (150)

x_i, y_i - координаты скважин; x₀, y₀ - координаты скважины с максимальным понижением уровня; - отношение дебита i-й скважины к суммарному расходу водозабора, а вместо величины r_о

, (151)

где r_i - расстояние от скважины с наибольшим понижением уровня до всех остальных скважин.

11.38. Формулы для определения коэффициентов и при совместной работе линейного ряда водозаборных скважин и инфильтрационного канала (бассейна) ограниченной длины даны в табл. 36 (схема 3).

При исследовании коэффициента полезного действия инфильтрационного сооружения и эффективности пополнения следует иметь в виду, что в выражениях для указанных коэффициентов должны быть подставлены координаты точки в пределах водозабора, имеющей максимальное понижение уровня. Если не учитывать этого обстоятельства, то расчеты коэффициента могут привести к ошибочному результату.

11.39. Работа одиночной водозаборной скважины вблизи круговой (прямоугольной) инфильтрационной площадки рассматривается в схеме 4 табл. 36.

Из приведенных соотношений видно, что наиболее выгодно располагать водозаборную скважину в створе, проходящем через середину бассейна, нормально к реке (у = 0). Однако и в этом случае из-за малости величины r₀ эффективность пополнения будет невелика, поэтому целесообразно отбор подземных вод осуществлять водозабором в виде группы скважин. Расчет их можно проводить по тем же формулам заменой взаимодействующих скважин "большим колодцем".

Таблица 36

Инфильтрационные бассейны прямоугольной формы для расчета приводятся к круговым бассейнам равновеликой площади, причем приведенный радиус кругового бассейна определяется следующим образом:

. (152)

где b_б и l_б - соответственно половина ширины и длины прямоугольного бассейна.

11.40. Взаимодействие водозаборного ряда скважин конечной длины и круговой инфильтрационной площадки рассмотрено в схеме 5 табл. 36. В приведенных соотношениях предполагается, что максимальное понижение уровня наблюдается в центре водозаборного сооружения.

Пример расчета. Проектируется линейный ряд скважин, расположенных параллельно реке на расстоянии x_о = 400 м от нее (рис. 61). Длина ряда 2l = 300 м, количество скважин n = 12, радиус скважин rо = 0,2 м (скважины совершенные). Водопроводимость пласта km = 600 м²/сут. Максимально допустимое понижение на водозаборе S_доп = 10 м. Требуемая производительность водозабора 20 тыс. м/сут.

Рис. 61. Схема к примеру расчета

По опытным данным, средняя скорость инфильтрации при пополнении может быть принята равной 1 м/сут.

Учитывая близость проектируемого водозабора к реке, расчет проводится по формулам стационарной фильтрации.

Прежде всего определим производительность линейного ряда скважин по формуле (15) табл. 21 (см. гл. 5).

R₀ = l/2ln[(4^.400² +150²)/150²]+[(2-400)/150][arctg(150/(2^.400))+

+(l/12)ln(150/(3,14^.0,2^.12))] = 2,74.

Таким образом, расход водозабора без пополнения составит

Q = (2^.3,14^.600^.10)/2,74 = 13,8 тыс. м³/сут.

В связи с тем, что производительность линейного ряда будет ниже заданной, необходимо предусмотреть искусственное пополнение запасов подземных вод. С этой целью на расстоянии 150 м от водозабора расположим два инфильтрационных бассейна размером 100x150 м и произведем предварительный расчет величины инфильтрационного расхода.

Для упрощения расчета инфильтрационные бассейны прямоугольной формы приведем к круговым бассейнам равновеликой площади

R_бас = 2 = 40 м.

Величина R_б в случае работы двух бассейнов определяется по формуле (139) при и n = 2, т. е.

.

Значения гидравлических сопротивлений находятся по формуле (123) табл. 35

.

В данном случае:

= = 980 м;

r_б = = 190 м.

При этом

R_б = ln (980/190) = 1,64.

Коэффициент полезного действия т) находим по формуле (145).

= 1,64/2,74 = 0,6.

Коэффициент гидродинамической эффективности может быть найден по формуле (148)

= l,64/(1,64+3,62) = 0,31,

Отсюда следует, что инфильтрационные сооружения будут обеспечивать примерно 1/3 дебита водозабора.

По формуле (118) находим расход сырой воды Q_б, которую требуется подать на пополнение

Q_б = (0,31/0,6) 20000 = 10,4 м³/cyт.

Следовательно, расход из каждого бассейна составит 5,2 тыс. м³/cyт.

При скорости инфильтрации V_инф = 1 м/сут необходимая площадь инфильтрационного бассейна

F = 0,5/V_инф = 5200м²,

т. е. принятый размер бассейна 50x100 м будет примерно удовлетворять требуемым условиям.

12.КАЧЕСТВО ВОДЫ

12.1. В хозяйственно-питьевом и промышленном водоснабжении используются пресные подземные воды (сухой остаток до 1000 мг/дм³), а также солоноватые подземные воды (сухой остаток 1000- 5000 мг/дм³).

12.2. Для целей производственного водоснабжения и орошения использование пресных подземных вод допускается с разрешения органов по регулированию использования и охране вод только в районах, где отсутствуют необходимые поверхностные водные источники и имеются запасы подземных вод питьевого качества в количестве, достаточном для удовлетворения потребности в хозяйственно-питьевой воде.

Требования к качеству подземных вод для производственного водоснабжения и орошения устанавливаются водопотребляющими или проектными организациями для каждого конкретного случая с учетом специфических особенностей использования вод по данному назначению.

12.3. Для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения используются пресные подземные воды, в отдельных случаях допускается использование подземных вод с сухим остатком до 1500 мг/дм³.

Требования к качеству питьевой подземной воды, подаваемой централизованными хозяйственно-питьевыми системами водоснабжения, а также используемой одновременно для питьевых, хозяйственных, технических и коммунально-бытовых целей, регламентируются ГОСТ 2874-82.

В случае несоответствия качества подземной воды требованиям ГОСТ 2874-82 должны быть применены мероприятия по улучшению ее качества согласно СНиП 2.04.02-84 (умягчение, обезжелезивание, обеззараживание, обесфторивание и др.).

12.4. Качество воды хозяйственно-питьевого назначения должно удовлетворять гигиеническим нормам, предусматривающим безопасность воды в эпидемическом отношении, безвредность химического состава и благоприятные органолептические свойства. Соответственно этому государственным стандартом установлены следующие показатели качества воды: микробиологические; содержание токсических химических веществ; органолептические.

12.5. Безопасная в эпидемическом отношении вода не должна содержать болезнетворных бактерий и вирусов. Обычно используются косвенные микробиологические показатели безвредности воды, характеризующие степень общего загрязнения воды микроорганизмами и содержание микроорганизмов группы кишечной палочки. Общее число микроорганизмов в 1 см³ неразбавленной воды не должно превышать 100; количество микроорганизмов группы кишечной палочки не должно превышать 3 в 1 дм³ воды ("коли-индекс" 3 или "коли-титр" не менее 333).

В отдельных случаях, когда имеются опасения бактериального загрязнения подземных вод, кроме указанных выше косвенных микробиологических показателей определяют дополнительно содержание болезнетворных бактерий, кишечных вирусов, яиц гельминтов

12.6. Токсические химические вещества и вещества, ухудшающие органолептические свойства воды (запах, привкус, цветность), встречаются в природных подземных водах, но, кроме того, могут появиться в воде при обработке ее реагентами или могут поступить в водоносный горизонт в результате загрязнения сточными водами и отходами.

12.7. Допустимые концентрации токсических химических веществ, преимущественно встречающихся в природных водах или добавляемых к воде в процессе ее обработки, не должны превышать нормативов, приведенных в табл. 37. Радиоактивные вещества в питьевой воде нормируются в соответствии с нормами радиационной безопасности НРБ-76.

Таблица 37

Примечание. Климатические районы принимаются в соответствии со СНиП.

12.8. Допустимые концентрации химических веществ, влияющих на органолептические свойства воды, не должны превышать нормативов, приведенных в табл. 38.

Таблица 38

В отдельных случаях для водопроводов, подающих воду без специальной обработки, по согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы допускается увеличение содержания сухого остатка до 1,5 г/дм³, общей жесткости-до 10 мг^.экв/дм³, железа- до 1 мг/дм³, марганца - до 0,5 мг/дм³.

12.9. Кроме содержания химических веществ, указанных в табл. 37, 38, обязательному определению при оценке качества подземных вод подлежат показатели органолептических свойств. Требования по органолептическим показателям указаны в табл. 38а.

Таблица 38а

В отдельных случаях по согласованию с органами санитарно< эпидемиологической службы допускается увеличение цветности воды до 35°, мутности (в паводковый период) до 2 мг/дм³.

12.10. В районах, где имеется опасность загрязнения подземных вод, в их составе, дополнительно к указанным выше веществам (см. пп 127, 128), необходимо определять специфические химические вещества, характерные для технологических и сточных вод промышленных предприятий, а также вещества, входящие в состав загрязненных поверхностных и хозяйственно-бытовых сточных вод, сельскохозяйственных удобрений, ядохимикатов и т. п. Концентрации в воде химических веществ, не указанных в табл. 37 и 38, не должны превышать предельно допустимых концентраций (ПДК), утвержденных Министерством здравоохранения СССР для воды водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования по органолептическому и санитарно-токсикологическому признаку, а также норм радиационной безопасности НРБ-76.

Перечень значений ПДК и классы опасности веществ приведены в документе "Предельно допустимые концентрации (ПДК) и ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ) вредных веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования". Класс опасности вещества учитывается при изучении химического состава подземных вод для выбора компонентов-индикаторов загрязнения воды. При обнаружении в воде нескольких химических веществ 1-2 класса с одинаковым лимитирующим признаком вредности (санитарно-токсикологический, органолептический) сумма отношений обнаруженных концентраций в воде к их ПДК не должна быть более 1.

12.11. Предельно допустимые концентрации некоторых наиболее часто встречающихся химических веществ, связанных с промышленным, сельскохозяйственным и хозяйственно-бытовым загрязнением, приведены в табл. 39.

Таблица 39

* с. т. - санитарно-токсикологический, о. л. - органолептический, о. с. - общесанитарный.

** ПДК в размере 0,001 учитывается при применении хлора для обеззараживания воды; в иных случаях допускается содержание суммы летучих фенолов в воде в концентрации 0,1 мг/дм³.

12.12. Требования к качеству подземных вод на стадии выбора источника водоснабжения определены по ГОСТ 2761-84,

Одновременно с требованием благоприятной санитарной оценки условий залегания и формирования подземных вод, места размещения водозаборных сооружений необходимо, чтобы сухой остаток был не более 1-1,5 г/дм³, концентрация хлоридов - не более 350 мг/дм³, концентрация сульфатов - не более 500 мг/дм³; общая жесткость не более 7 мг^.экв/дм³ (по согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы допускается до 10 мг^.экв/дм³). Остальные требуемые показатели состава воды и концентрации химических веществ указаны в табл. 40; концентрации химических веществ промышленных и сельскохозяйственных загрязнителей воды не должны превышать предельно допустимые концентрации для воды хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования, а также нормы НРБ-76.

Таблица 40

* В зависимости от климатического района.

В табл. 40 к 1 классу отнесены воды, качество которых по всем показателям удовлетворяет требованиям ГОСТ 2874-82; ко 2 классу воды, качество которых по отдельным показателям имеет отклонения от требований ГОСТ 2874-82; они могут быть устранены аэрированием, фильтрованием, обеззараживанием; для воды 3-го класса для доведения качества воды до требований ГОСТ 2874-82 необходимы, кроме вышеупомянутых методов обработки, дополнительные методы - фильтрование с предварительным отстаиванием, использование реагентов и др. Если качество подземных вод выходят за пределы норм табл. 40 (соленые воды, воды с высоким содержанием фтора и т. п.), подземные воды могут быть использованы по согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы при наличии методов обработки, надежность которых подтверждена специальными технологическими и гигиеническими исследованиями.

12.13. Качество воды в водозаборах систем искусственного пополнения запасов подземных вод зависит от состава и свойств "сырой" воды источника пополнения и подземных вод ("естественной" подземной воды).

В отдельности качество "сырой" и "естественной" подземной воды по составу и свойствам может отличаться от требований ГОСТ 2874-82, но при обязательном условии, что после их полного или частичного смешения в водоносном пласте и водозаборном сооружении, а также в результате процессов физико-химического взаимодействия "сырой" воды с подземными водами и породами эксплуатируемого водоносного горизонта отбираемая вода для подачи потребителю приобретает качества, отвечающие требованиям ГОСТа,

Если это не достигается, должна выполняться соответствующая очистка "сырой" воды (до подачи ее на инфильтрацию) или последующая очистка смешанной воды после откачки ее из водозабора (перед подачей потребителю). Методы производства очистки воды указаны в СНиП 2.04.02-84.

12.14. При разведке подземных вод отбор проб для изучения качества воды выполняется из разведочных и эксплуатационных скважин при проведении из них откачек, при наблюдениях за режимом подземных вод намеченного к использованию и смежных с ним водоносных горизонтов. Отбор проб выполняется также из всех источников, поверхностных водотоков и водоемов, дренажных сооружений, горных выработок, шахтного водоотлива и других водных объектов, находящихся в зоне влияния водозабора.

Частота, количество и методы отбора проб воды, количество и виды анализов устанавливаются в зависимости от гидрогеологических, гидрохимических, санитарных условий участка с учетом целевого назначения подземных вод в соответствии с ГОСТ 18963-73*, а также ГОСТ 2874-82 и требованиями водопотребителя к качеству воды для производственного водоснабжения.

12.15. При наличии в подземных водах повышенной концентрации железа для выбора метода обезжелезивания воды при анализах необходимо обратить внимание на следующие показателя: содержание железа (общего и в том числе двухвалентного); содержание сероводорода, свободной углекислоты; рН воды; щелочность воды; перманганатную окисляемость. Для обоснования выбора метода удаления из воды марганца существенное значение имеют следующие показатели: содержание марганца, сульфатов, бикарбонатов, рН воды.

12.16. При проектировании водозаборов подземных вод необходимо ориентироваться не только на показатели качества воды, определенные на участке водозабора в период изысканий, но и на данные прогноза возможного изменения качества воды во времени, так как в условиях эксплуатации водозабора нередко наблюдается ухудшение состава отбираемой воды. Это особенно важно для районов с неоднородным химическим составом подземных вод, а также для районов, где наиболее вероятно загрязнение подземных вод (интенсивно используемые густозаселенные промышленные и сельскохозяйственные территории).

Прогноз качества воды во времени необходим для определения рационального режима эксплуатации и срока действия водозабора, а также размеров зон санитарной охраны.

12.17. Прогноз качества подземных вод выполняется на основе закономерностей движения растворенных и эмульгированных веществ в водоносных пластах, которые следуют из рассмотрения теории миграции. Определяющее влияние на скорость и дальность распространения загрязнений имеет непосредственный перенос загрязняющих веществ фильтрационным потоком; кроме того, сказывается влияние конвективной дисперсии, сорбции и других физико-химических процессов, для количественной оценки которых необходимы соответствующие экспериментальные данные.

При приближенном прогнозе качества подземных вод исходят, во-первых, из предпосылки о преобладающем поршневом характере вытеснения природных подземных вод загрязненными водами, поступающими на том или ином участке в водоносный горизонт; во-вторых, учитывается смешение подземных вод различного состава, поступающих в водоносный горизонт из отдельных источников питания как в естественных условиях, так и при действии водозаборов, фильтрации из накопителей сточных вод и т. д.

В результате прогноза должны быть определены: время t_в продвижения загрязнений к водозабору от участка их поступления в горизонт; концентрация загрязняющих веществ в водозаборе C_в. Для простых схем фильтрационных потоков значения t_в, и С_в могут быть определены аналитическими расчетами; часть из них приведена ниже при "внутренних" источниках загрязнения, находящихся в изолированном пласте, а также при "внешних" источниках загрязнения (переток загрязненных вод в эксплуатируемый горизонт из смежного по разрезу горизонта).

В одномерном плоскопараллельном потоке подземных вод в водоносном горизонте, изолированном непроницаемыми кровлей и подошвой, время движения загрязнений по полосе тока на участке длиной L определяется по зависимости

t_в = mnL/q_e, (153)

где т - мощность горизонта, м; п - активная пористость; q_e - погонный расход потока подземных вод, м²/сут.

Концентрация загрязняющего компонента С_в в конце расчетного участка L равна концентрации в начале участка (предполагается, что в изолированном пласте смешение отсутствует и что в начале участка загрязнением охвачена вся мощность горизонта). Если одновременно с фильтрацией происходит равновесная сорбция загрязняющего вещества, то

t_в = AmnL/q_e, (154)

где A = (1+)/, - коэффициент распределения вещества между жидкой и твердой фазами. При известных значениях аналогичный сомножитель А вводится в формулу (158).

При работе линейного водозабора инфильтрационного типа, расположенного вблизи реки или водоема, когда концентрации компонента в речной воде С_р и в подземных водах на берегу С_б отличаются друг от друга, результирующая концентрация на линии водозабора С_в составит

С_в = (q_р С_р + q_б С_б)/(q_р + q_б), (155)

где q_р и q_б - расходы, поступающие в водозабор со стороны реки и со стороны берега;

q_р = km(H_р-H_в)/x₀; (156)

q_б = km(H_к-H_в)/(x_к-x₀). (157)

Здесь x_о - расстояние от водозабора до реки; km - водопроводимость горизонта, H_в и H_р - уровни воды в водозаборе и в реке; Hк и x_к - естественный уровень подземных вод на берегу на расстоянии x_к от водозабора.

При работе одиночного или группового водозабора в изолированном пласте в удалении от реки при отсутствии естественного потока подземных вод (q_e = 0) время движения загрязнений к водозабору от участка, находящегося на расстоянии r_ф, составит

, (158)

где Q_в - расход водозабора; r₀ - радиус водозабора.

Концентрация загрязняющего компонента в водозаборе С_в определяется по формуле смешения

С_в = (СчQ_ч+С_зQ_з)/Q_в. (159)

где С_ч, и С_з - концентрации загрязняющего компонента в чистых и загрязненных подземных водах; Q_ч и Q_a - расходы воды, поступающие к водозабору с чистого и загрязненного участка. Значения Q_ч и Q₃ определяются аналитическим и графоаналитическим методом с учетом размера очага загрязнения и гидрогеологических параметров пласта.

Если эксплуатируемый напорный водоносный горизонт, содержащий подземные воды хорошего качества, получает питание из вышележащего загрязненного покровного безнапорного горизонта и атмосферных осадков (двухслойный пласт), то концентрация загрязняющего компонента на одиночном или групповом водозаборе С_в, определится из выражений:

(160)

a** = km/**; ** = _п+_н; (161)

Здесь С_п и С_н - концентрации загрязняющего компонента в верхнем питающем безнапорном и в нижнем напорном эксплуатируемом горизонтах; _п и ^*_н, - водоотдача верхнего питающего и нижнего эксплуатируемого слоев, km-водопроводимость эксплуатируемого напорного горизонта, Q_в - расход водозабора, r_o-радиус водозабора, [-Ei(-_о)] -интегральная показательная функция.

При использовании подземных вод слоистой водоносной толщи, в которой напорные водоносные горизонты в хорошо проницаемых отложениях гидравлически связаны друг с другом через слабопроницаемые слои, качество воды в эксплуатируемом горизонте может со временем измениться вследствие перетекания воды из загрязненного смежного питающего слоя через слабопроницаемый слой. При достижении максимального расхода перетока концентрация загрязняющего компонента в водозаборе С_е составит

С_в = С_п + (С_э - С_п) (km)_э/[(km)_э + (km)_п], (162)

где С_э, и С_п - концентрации загрязняющего компонента в эксплуатируемом и питающем водоносных горизонтах; (km)_э и (km)_n - водопроводимости этих горизонтов соответственно.

Для сложных фильтрационных потоков в неоднородных многослойных водоносных толщах, при сложных граничных условиях и других случаях для прогноза качества воды используются графоаналитические, численные методы и моделирование.

12.18. По составу и виду загрязнения подземных вод подразделяются на химические (органические и неорганические), биологические, радиоактивные и тепловые.

Наиболее крупная по масштабам инфильтрация загрязненных вод может происходить на промышленных площадках, из шламо- и хвостохранилищ, из накопителей и испарителей сточных вод, на полях орошения и полях фильтрации.

Ухудшение качества подземных вод может быть связано также с привлечением некондиционных или загрязненных подземных вод из удаленных от водозабора участков эксплуатируемого водоносного горизонта; подтягиванием высокоминерализованных подземных вод к водозабору из более глубоких частей горизонта; привлечением воды из водотоков и водоемов, загрязненных промышленными, хозяйственно-бытовыми, сельскохозяйственными стоками; инфильтрацией загрязненных сточных и атмосферных вод с застроенных промышленных и городских территорий и др.

В отдельных случаях загрязнение водоносного горизонта происходит через неисправные водозаборные, разведочные, газовые, нефтяные скважины и другие горные выработки.

12.19. В проекте водозабора должны быть освещены источники питания подземных вод, а также существующие и возможные источники загрязнения Основной эксплуатируемый водоносный пласт, смежные (по разрезу и в плане) водоносные горизонты, связанные с ними ближайшие реки, водоемы, а также хранилища бытовых и промышленных сточных вод должны быть охарактеризованы в отношении химического состава воды как по основным показателям, нормируемым ГОСТ 2874-82, так и по специфическим показателям, характеризующим сточные воды и промышленные отходы данного района, дренажный и поверхностный сток с сельскохозяйственных площадей и т. п.

12.20. Контроль за качеством подземных вод на действующих водозаборах осуществляется учреждениями и организациями, в ведении которых находятся централизованные системы хозяйственно-питьевого водоснабжения я водопроводы, используемые одновременно для хозяйственно-питьевых и технических целей. Перечень контролируемых показателей качества воды определяется с учетом местных и санитарных условий и должен быть согласован с санитарно-эпидемиологической службой.

12.21. Качество подземных вод, используемых при децентрализованном водоснабжении, регламентируют "Санитарные правила по устройству и содержанию колодцев и каптажей родников, используемых для децентрализованного и хозяйственно-питьевого водоснабжения".

13. ЗОНЫ САНИТАРНОЙ ОХРАНЫ ВОДОЗАБОРОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

13.1. Для сохранения питьевого качества воды водозаборы подземных вод должны располагаться, как правило, вне территории промышленных предприятий и населенных пунктов. Кроме того, для предотвращения загрязнения водозабора в соответствии с "Положением о порядке проектирования и эксплуатации зон санитарной охраны источников водоснабжения и водопроводов хозяйственно-питьевого назначения" в окрестности водозабора устанавливается зона санитарной охраны (ЗСО), в которой осуществляются специальные мероприятия, исключающие возможность поступления загрязнений в водозабор и в водоносный пласт в районе водозабора.

13.2. При организации ЗСО учитывается вид загрязнений (микробное, химическое), определяющий их устойчивость (стабильность) и в связи с этим возможную длину пути продвижения в водоносном пласте.

Длина пути продвижения болезнетворных микроорганизмов в водоносном горизонте зависит от их вида и количества, а также от гидрогеологических факторов, но при этом ограничивается временем выживаемости и сохранения вирулентности микроорганизмов в специфических условиях водоносного пласта; таким образом, микробные загрязнения в подземных водах неустойчивы, нестабильны. Время выживаемости болезнетворных организмов в подземных водах является важным параметром при определении размеров ЗСО; по данным специальных исследований, оно достигает 100-400 сут.

При обосновании ЗСО водозаборов подземных вод адсорбция и другие факторы (кроме выживаемости), ограничивающие возможность распространения микроорганизмов, обычно не учитываются. Учет этих факторов допускается только в случаях, если их влияние резко выражено и закономерности проявления достаточно изучены.

В отношении химических загрязнений при проектировании ЗСО водозаборов подземных вод условно принимают, что в водоносном горизонте эти вещества не изменяют свой состав и концентрацию в результате взаимодействия с подземными водами и породами, т. е. являются стабильными и поэтому могут переноситься потоком в водоносном горизонте на большие расстояния. Хотя некоторые химические вещества могут активно взаимодействовать с подземными водами и породами, что приводит к сокращению скорости движения химических загрязнений и ограничению дальности их распространения, однако, как и для микробных загрязнений, физико-химические превращения химических веществ в водоносных пластах могут учитываться при проектировании ЗСО только в случаях, если эти процессы резко выражены и их закономерности достаточно изучены.

13.3. При определении размеров ЗСО водозаборов подземных вод, а также состава санитарно-оздоровительных и защитных мероприятий в пределах ЗСО должны учитываться производительность, тип водозабора и гидрогеологические условия, в частности естественная защищенность подземных вод от поверхностного загрязнения. Защищенность эксплуатируемого водоносного горизонта зависит от возможности и интенсивности поступления в него загрязненных вод с поверхности земли или из рек, озер и других водоемов.

К защищенным подземным водам относятся напорные и безнапорные межпластовые воды, которые имеют в пределах всех поясов в ЗСО сплошную водоупорную кровлю, исключающую возможность местного питания из вышележащих недостаточно защищенных водоносных горизонтов или с поверхности земли; должна также отсутствовать непосредственная связь с поверхностными водами.

К недостаточно защищенным подземным водам относятся:

а) грунтовые воды, т. е. подземные воды первого от поверхности земли безнапорного водоносного горизонта, получающего питание на площади его распространения;

б) напорные и безнапорные межпластовые воды, которые в естественных условиях или в результате снижения напора (уровня) при эксплуатации водозабора получают питание на площади ЗСО из вышележащих недостаточно защищенных водоносных горизонтов через литологические окна или проницаемые породы кровли, а также из водотоков и водоемов путем непосредственной гидравлической связи.

В количественном отношении степень защищенности водоносного горизонта оценивается по времени нисходящего движения загрязнений от поверхности земли до кровли эксплуатируемого водоносного горизонта через толщу перекрывающих пород (см. п. 13.19). При оценке степени защищенности необходимо учитывать мощность, пористость, фильтрационные свойства перекрывающих пород, градиент напора при вертикальной фильтрации, и, кроме того, вид загрязнений.

Если время нисходящего движения загрязнений меньше 400 сут, водоносный горизонт является не защищенным от микробных загрязнений, фильтрующихся через перекрывающую толщу пород. Если время движения меньше 25-50 лет (обычно принимаемый проектный срок работы водозабора), то водоносный горизонт не защищен от нейтральных химических загрязнений.

В случаях, когда залегающая над водоносным горизонтом толща пород не обеспечивает естественную защищенность подземных вод от поверхностного загрязнения, защита водозабора в пределах ЗСО реализуется специальными мероприятиями так, чтобы возможные источники загрязнения были удалены от границ ЗСО на расстояние, при котором длительность движения загрязнений по пласту к водозабору будет не менее заданной (100-400 сут для микробных, 25-50 лет для химических загрязнений).

На участках расположения водозаборов, где запасы подземных вод позволяют неограниченную во времени длительность их эксплуатации, водоносный горизонт также должен быть защищен от любого вида загрязнения на неограниченный срок.

13.4. Возможность организации ЗСО определяется на стадии выбора источников централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения; проектирование ЗСО основывается на материалах гидрогеологических, гидрологических, санитарных, микробиологических исследований.

Проект ЗСО входит в состав проекта хозяйственно-питьевого водоснабжения и разрабатывается вместе с ним. Проект ЗСО и план санитарных мероприятий, предназначенных для обеспечения требуемого качества подземных вод, должны быть согласованы с исполкомами местных Советов депутатов, с землепользователями, с органами санитарно-эпидемиологической службы, органами по регулированию использования и охране вод, органами коммунального хозяйства, органами геологии.

13.5. В состав ЗСО входят три пояса: первый - строгого режима, второй и третий - ограничений. Первый пояс ЗСО включает территорию расположения водозаборов, площадок расположения всех водопроводных сооружений, при искусственном пополнении - инфильтрационные сооружения и водоподводящий канал. Он устанавливается в целях устранения возможности случайного или умышленного загрязнения воды источника в месте расположения водозаборных и водопроводных сооружений.

Граница первого пояса ЗСО устанавливается в зависимости от защищенности подземных вод в пределах первого и второго поясов ЗСО: на расстоянии не менее 30 м от водозабора - при использовании защищенных подземных вод, и на расстоянии не менее 50 м - при использовании недостаточно защищенных вод. При использовании группы подземных водозаборов граница первого пояса должна быть удалена на те же расстояния (не менее 30 или 50 м) от крайних скважин (шахтных колодцев) водозаборных групп.

Если расстояние между водозаборными скважинами превышает 100 м, первый пояс ЗСО допустимо устанавливать отдельно для каждой скважины.

В отдельных случаях для водозаборов, расположенных на территории объекта, исключающего возможность загрязнения почвы и подземных вод, а также для водозаборов, расположенных в благоприятных санитарно-технических и гидрогеологических условиях, границу первого пояса ЗСО допускается приблизить к водозабору по согласованию с местными органами санитарно-эпидемиологической службы на расстояние до 15 или 25 м соответственно для защищенных или недостаточно защищенных водоносных пластов.

При искусственном пополнении запасов подземных вод граница первого пояса должна устанавливаться на расстоянии не менее 50 м от водозабора и на расстоянии не менее 100 м от инфильтрационных сооружений (бассейнов, каналов и др.). Для береговых (инфильтрационных) водозаборов подземных вод в границы первого пояса необходимо включать территорию между водозабором и поверхностным водоемом, если расстояние между ними менее 150 м. Для подрусловых водозаборов первый пояс ЗСО следует предусматривать как для водозаборов из поверхностных источников водоснабжения.

13.6. Второй пояс ЗСО предназначен для защиты водоносного горизонта от микробных загрязнений; поскольку второй пояс расположен внутри третьего пояса, он предназначен также для защиты и от химического загрязнения.

Основным параметром, определяющим расстояние от границы второго пояса ЗСО до водозабора, является расчетное время 7 м продвижения микробного загрязнения с потоком подземных вод к водозабору, которое должно быть достаточным для утраты жизнеспособности и вирулентности патогенных микроорганизмов, т. е. для эффективного самоочищения воды.

Граница второго пояса ЗСО определяется гидродинамическими расчетами исходя из условий, что если за ее пределами через зону аэрации или непосредственно в водоносный горизонт поступят микробные загрязнения, то они не достигнут водозабора. Расчетное время Т_м выбирается в соответствии с рекомендациями табл. 41.

Таблица 41

13.7. Третий пояс ЗСО предназначен для защиты подземных вод от химических загрязнений Расположение границы третьего пояса ЗСО также определяется гидродинамическими расчетами исходя из условия, что, если за ее пределами в водоносный пласт поступят химические загрязнения, они или не достигнут водозабора, перемещаясь с подземными водами вне области питания, или достигнут водозабора, но не ранее расчетного времени Т_х Время продвижения загрязненной воды от границы третьего пояса ЗСО до водозабора должно быть больше проектного срока эксплуатации водозабора (25-50 лет) Если запасы подземных вод обеспечивают неограниченный срок эксплуатации водозабора, третий пояс должен обеспечить соответственно длительное сохранение качества подземных вод.

Учет нестабильности химического загрязнения, позволяющий сократить размеры третьего пояса ЗСО, возможен только при наличии соответствующих экспериментальных данных.

Методы гидрогеологических расчетов для определения границ второго и третьего поясов ЗСО при различных гидрогеологических условиях и различных схемах водозаборов приведены в п. 13 15- 1322.

13.8. При особо трудных местных условиях при установлении надлежащих границ второго и третьего поясов их размеры в порядке исключения могут быть уменьшены или эти пояса могут быть объединены при условии, что качество подземных вод от этого не ухудшится. В этом случае следует представить обоснование возможности уменьшения размеров второго или третьего поясов (или их объединения), предусмотреть при необходимости специальные защитные мероприятия и получить на указанные изменения согласование санитарно-эпидемиологической службы и других организаций (см. п. 134).

13.9. Если участок реки (или поверхностного водоема) входит по гидрогеологическому расчету в пределы первого, второго и третьего поясов ЗСО берегового (инфильтрационного) водозабора подземных вод, имеющего гидравлическую связь с названными поверхностными водоемами, то и для последних необходимо устанавливать первый, второй и третий пояса ЗСО как для поверхностного водоема в соответствии с пп. 4 1-4 3 Положения о ЗСО. Границы поясов ЗСО для поверхностных водоисточников (рек, озер, водоемов) устанавливаются в направлениях вверх и вниз по течению, а также в глубь берега.

Границы первого пояса ЗСО вверх и вниз по течению (т. е. вдоль водотока или водоема) устанавливаются на расстоянии 100- 200 м от крайних скважин берегового водозабора в зависимости от проточности, ширины акватории и др. По прилегающему к водозабору берегу граница первого пояса ЗСО водозабора устанавливается на расстоянии не ближе 100 м от линии уреза воды при летне-осенней межени; по противоположному берегу-см. Положение о ЗСО, п. 41.

Границы второго пояса ЗСО вверх по течению вдоль водотока (или водоема) и его боковых притоков определяются с учетом времени пробега воды от водозабора, необходимого для ее микробного самоочищения, что, в свою очередь, зависит от скорости течения и климатических условий. Вниз по течению от водозабора граница второго пояса должна быть на расстоянии, обеспечивающем водозабор от загрязнения при обратных ветровых течениях, что устанавливается с учетом характера водотока, скорости течения воды в нем и силы ветра. Боковые границы второго пояса ЗСО определяются шириной береговой полосы, которая при отсчете от уреза воды летне-осенней межени должна составлять не менее 500 м при равнинном рельефе местности; при гористом рельефе местности-750-1000 м (для пологого и крутого склонов соответственно). Границы третьего пояса ЗСО водотоков (водоемов) вверх и вниз по течению совпадают с границей второго пояса, боковые границы проводятся по линии водораздела в пределах 3-5 км, включая притоки реки (см. пп. 4.2.2-4.2.6 Положения). Если в районе берегового инфильтрационного водозабора расположение границ второго и третьего поясов ЗСО в глубь берегов, определенное по указаниям п. 13.9, не совпадает с расположением этих же границ, определенных по гидрогеологическим расчетам (см. пп. 13.15-13.22), следует принимать расположение, при котором границы удалены от водозабора на большее расстояние.

13.10. Санитарно-оздоровительные и защитные водоохранные мероприятия устанавливаются отдельно для каждого пояса ЗСО в соответствии с его назначением и выполняются либо как единовременные меры, осуществляемые до начала эксплуатации водозабора (например, снос некоторых строений, устройство ограды и др.), либо как постоянные мероприятия режимного характера (запрещение нового строительства, запрещение использования ядохимикатов и др.).

13.11. По второму и третьему поясам ЗСО предусматриваются следующие общие мероприятия:

1) выявление, ликвидация (или восстановление) всех бездействующих, старых, дефектных или неправильно эксплуатируемых скважин, представляющих опасность в отношении возможности загрязнения водоносного горизонта;

2) регулирование любого нового строительства и бурение новых скважин при обязательном согласовании с местными органами санитарно-эпидемиологической службы, органами геологического контроля и органами по регулированию использования и охране вод;

3) запрещение закачки отработанных вод в подземные горизонты, подземного складирования твердых отходов и разработки недр земли, которая может привести к загрязнению водоносного горизонта;

4) своевременное выполнение необходимых мероприятий по санитарной охране поверхностных водотоков и водоемов, имеющих непосредственную гидравлическую связь с используемым водоносным горизонтом;

5) запрещение размещения накопителей промстоков, шламохранилищ, складов горючесмазочных материалов, складов ядохимикатов и минеральных удобрений, крупных птицефабрик и животноводческих комплексов-источников химического нитратного загрязнения, а также других объектов, обусловливающих опасность химического загрязнения подземных вод; размещение таких объектов допускается в пределах третьего пояса ЗСО только при использовании защищенных подземных вод, а также при условии выполнения специальных мероприятий по защите водоносного горизонта от загрязнения и по согласованию с вышеназванными органами санитарного, геологического и водного контроля.

При размещении в пределах третьего пояса ЗСО объектов, являющихся источниками микробного загрязнения (поля фильтрации, навозохранилища, животноводческие и птицеводческие предприятия и т. п.), должна быть исключена возможность поступления поверхностного и дренажного стока на территорию второго пояса ЗСО.

13.12. По второму поясу ЗСО, кроме мероприятий, общих для второго и третьего поясов, указанных в п. 13.11, подлежат выполнению следующие дополнительные мероприятия:

1) запрещение:

размещения кладбищ, скотомогильников, полей ассенизации, полей фильтрации, земледельческих полей орошения, силосных траншей, животноводческих и птицеводческих предприятий, а также других сельскохозяйственных объектов, обусловливающих опасность микробного загрязнения подземных вод;

применения удобрений и ядохимикатов;

промышленной рубки леса;

2) выполнение мероприятий по санитарному благоустройству территории населенных пунктов и Других объектов (канализование, устройство водонепроницаемых выгребов) и др.

13.13. По первому поясу ЗСО дополнительно к мероприятиям, указанным в пп. 13.11 и 13.12 для второго и третьего поясов, предусматриваются следующие меры:

1) территория первого пояса должна быть спланирована для отвода поверхностного стока за ее пределы, озеленена, ограждена и обеспечена постоянной охраной;

2) запрещаются все виды строительства, не имеющие непосредственного отношения к эксплуатации водозабора и водопроводных сооружений, в том числе жилых и хозяйственных зданий, прокладка трубопроводов различного назначения, проживание людей (в том числе работающих на водопроводе), а также применение ядохимикатов и удобрений;

3) здания должны быть канализованы с отведением сточных вод в систему канализации или на местные очистные сооружения, расположенные за пределами первого пояса ЗСО с учетом санитарного режима на территории второго пояса ЗСО. В исключительных случаях при отсутствии канализации устраиваются водонепроницаемые приемники для бытовых отходов и нечистот, расположенные в местах, исключающих при их вывозе загрязнение территории первого и второго поясов;

4) предусматривается строгое выполнение санитарно-технических требований к конструкции водозаборных и наблюдательных скважин (оголовки, устья, затрубные пространства скважин и др.);

5) водозаборные скважины должны быть оборудованы аппаратурой для систематического контроля соответствия фактического дебита при эксплуатации и проектной производительности, предусмотренной при проектировании водозабора и обосновании границ ЗСО.

13.14. Состав указанных в пп. 13.11-13.13 основных санитарно-оздоровительных и защитных мероприятий на территории ЗСО при наличии соответствующего обоснования может быть уточнен и дополнен применительно к конкретным гидрогеологическим условиям с учетом естественной защищенности подземных вод, а также современного и перспективного народнохозяйственного использования территории в районе ЗСО.

Водоохранные мероприятия на реках и водоемах, входящих в ЗСО водозаборов подземных вод, устанавливаются в соответствии с Положением о ЗСО.

13.15. Гидрогеологическими расчетами для обоснования проекта ЗСО должна быть определена область захвата, в пределах которой подземные воды в течение расчетного времени захватываются водозабором. Область захвата составляет часть более обширной области питания водозабора, в которой подземные воды движутся к водозабору.

Размеры и конфигурация области захвата находятся в зависимости от типа водозабора, схемы его размещения и режима эксплуатации, а также от гидрогеологических условий (степени неоднородности водоносного пласта, наличия внешних источников питания и разгрузки и т. д.).

Как правило, вследствие сложности гидрогеологических условий область захвата водозабора имеет неправильные геометрические очертания, выявление которых возможно только на основе графоаналитических построений с использованием карт гидроизопьез (гидроизогипс), составленных по данным полевых наблюдений или моделирования фильтрации подземных вод к водозабору.

13.15. Если реальная гидрогеологическая обстановка может быть схематизирована и осреднена по основным расчетным параметрам (обычно это оказывается возможным в относительно простых гидрогеологических условиях, а также в сложных условиях, но на ранних стадиях проектирования водозабора и ЗСО), область захвата водозабора и другие искомые величины для обоснования проекта ЗСО Водозаборов подземных вод можно определять путем аналитических гидродинамических расчетов. При этом, если в водозаборе количество скважин более одной или используется горизонтальная дрена, схематизируются и сами водозаборы: обычно их представляют в виде единых групповых водозаборов - компактной сосредоточенной группы скважин или линейного ряда скважин. В системах искусственного пополнения подземных вод весь комплекс сооружений (водозабор, инфильтрационные сооружения) можно приближенно представить в обобщенном виде как одиночный укрупненный водозабор с дебитом

Q = Q_в-Q_б, (163)

где Q_в - общий расход водозаборных скважин; Q_б - средний расход воды, поступающей в пласт из инфильтрационных сооружений.

Такой расчет возможен при относительно большом расходе водозабора в сравнении с общей подачей на инфильтрацию и размерах ЗСО, превосходящих расстояние между водозаборными скважинами и инфильтрационными сооружениями.

13.17. Обобщенная схема фильтрации подземных вод к водозабору с дебитом Q в однородном неограниченном водоносном пласте при наличии одномерного естественного бытового потока с единичным расходом q представлена на рис. 62.

62. Схема фильтрации подземных вод к водозабору

Область захвата водозабора увеличивается в процессе эксплуатации водозабора и соответственно положение границ ЗСО изменяется вместе с увеличением длительности работы водозабора Т; для расчета ЗСО этот период в зависимости от вида загрязнений, гидрогеологических и климатических условий принимается равным: для микробного загрязнения T = T_м = 100-400 сут. (см. п. 13.6), для химического загрязнения T = T_x25 лет (см. п. 13.1). В предельном случае при весьма длительной эксплуатации водозабора границы области захвата устанавливаются по нейтральной (раздельной) линии тока в условиях установившегося движения.

13.18. Для практических расчетов ЗСО область захвата водозаборных сооружений схематизируется в виде прямоугольника шириной и общей протяженностью L, причем (см. рис. 62)

L = r+R. (164)

Величина 2d принимается равной максимальной ширине области захвата водозабора.

Протяженность ЗСО вверх по потоку должна быть такой, чтобы частицы воды, удаленные от водозабора на расстояние R, достигли водозабора лишь к концу расчетного времени Т, отсчитываемого от начала включения водозабора (T = T_м при расчете границы второго пояса ЗСО, Т = Т_х при расчете третьего пояса ЗСО).

Расстояние R целесообразно представить в виде

R = Rq+R, (165)

где Rq - расстояние, преодолеваемое частицами воды при движении со скоростью естественного потока, удельный расход которого q; R - дополнительное расстояние, которое проходит частица воды при эксплуатации водозабора.

Вниз по потоку подземных вод граница ЗСО, как правило, проводится через раздельную точку N. Но в тех случаях, когда расстояние от водозабора до точки N велико и время движения частиц воды от нее к водозабору больше расчетного времени Т, положение границы ЗСО смещается ближе к водозабору на расстояние r от водозабора.

13.19. В безнапорных водоносных горизонтах, а также в неглубоко залегающих напорных пластах, перекрытых сверху слабопроницаемыми отложениями (двухслойные системы), при определении положения границы второго пояса ЗСО для защиты от микробного загрязнения в отдельных случаях, как отмечено в п. 13.3, целесообразно учитывать время t_o просачивания загрязненных вод по вертикали до основного эксплуатационного пласта, т. е. принимать T = Т_м-t_o. Если t_o>Т_м, водоносный горизонт защищен от микробных загрязнений.

Величина t_o приближенно может быть определена по следующим формулам:

а) при малой интенсивности инфильтрации загрязненных вод (<k_o, k_o - коэффициент фильтрации пород зоны аэрации), т. е. когда инфильтрация происходит с неполным насыщением пор водой,

t_o. (166)

б) при значительной интенсивности инфильтрации (>k_o), т. е. при инфильтрации с полным насыщением пор,

t_o; (167)

в) при двух-трехслойном строении водоносной толщи

t_o. (168)

В формулах (166)-(168) m_о и n₀ - мощность и активная пористость пород над эксплуатируемым горизонтом (в случаях "а" и "б" - это породы зоны аэрации, в случае "в" - породы верхнего слабопроницаемого слоя), - разность уровней воды основного эксплуатируемого и вышележащего питающего слоев.

Параметры k₀, m_о и n₀. следует определять при разведке подземных вод. На ранних стадиях изысканий (выбор водоносного горизонта, участка расположения водозабора) при отсутствии экспериментально определенных значений указанных параметров последние принимаются по литературным данным с учетом повышенной водопроницаемости покровных отложений и пород зоны аэрации.

13.20. Методы определения размеров ЗСО аналитическим способом разработаны для следующих расчетных схем фильтрации в однородных пластах¹:

¹ Рекомендации по гидрогеологическим расчетам для определения границ второго н третьего поясов зон санитарной охраны подземных источников хозяйственно-питьевого водоснабжения. - М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1983.

Орадовская А. Е., Лапшин Н. Н. Санитарная охрана водозаборов подземных вод. - М.: Недра, 1987.

1) одиночная скважина или компактная группа взаимодействующих скважин (сосредоточенный водозабор) вблизи совершенного или несовершенного водотока (водоема) при отсутствии естественного потока или при наличии естественного потока, направленного к реке, от реки, параллельно реке;

2) линейный ряд водозаборных скважин вблизи совершенного или несовершенного водотока (водоема) при отсутствии естественного потока или при наличии естественного потока, направленного к реке, от реки, параллельно реке;

3) одиночная скважина или компактная группа взаимодействующих скважин (сосредоточенный водозабор) в изолированном водоносном горизонте в удалении от поверхностных водотоков (водоемов) при наличии или отсутствии естественного потока;

4) линейный ряд водозаборных скважин в изолированном водоносном горизонте в удалении от поверхностных водотоков (водоемов) при наличии естественного потока, нормального к линии ряда скважин, и при отсутствии естественного потока;

5) сосредоточенный водозабор в водоносном горизонте, получающем дополнительное питание путем перетока из соседних водоносных горизонтов.

Соответствующие расчетные зависимости содержатся в "Рекомендациях по гидрогеологическим расчетам для определения границ II и III поясов зон санитарной охраны подземных источников хозяйственно-питьевого водоснабжения".

В сложных случаях (сложная схема водозабора, несколько взаимодействующих водозаборов, дрен, участков интенсивной инфильтрации из каналов, накопителей промстоков и т. п.; неоднородность водоносного горизонта в плане или в разрезе; сложная конфигурация реки; различные условия на границах водоносного горизонта, сложные гидрохимические условия и т. п.) вместо аналитических методов расчета ЗСО следует использовать графоаналитические методы расчета, моделирование фильтрации на аналоговых приборах, численное моделирование с применением ЭВМ.

13.21. Применительно к некоторым наиболее простым схемам фильтрации в районе водоотбора расчетные зависимости для определения границ ЗСО приведены в табл. 42, 43 и на рис. 63-86, где Q - общая производительность водозабора, m и n - мощность и активная пористость водоносного горизонта; Q_e - расход естественного потока подземных вод к береговому водозабору; Q_o - расход одной скважины линейного водозабора; р - количество скважин в линейном водозаборе; l - половина длины линейного ряда скважин; 2-расстояние между скважинами в линейном ряду скважин; х₀ - расстояние от реки до берегового водозабора; x_р - для береговых водозаборов - расстояние от реки до водораздельной точки; для водозаборов в удалении от рек - расстояние от водозабора до водораздельной точки.

Таблица 42

Таблица 43

Примечание: .

Рис. 63. Схемы фильтрации к сосредоточенному береговому водозабору при естественном потоке, направленном к реке

а - относительно малый расход водозабора (Q<); б - большой расход водозабора (Q)

Рис. 64. График для определения протяженности ЗСО R (к схеме рис. 63,а)

Рис. 65. График для определения протяженности ЗСО r ( схеме рис. 63, а)

Рис. 66. График для определения протяженности ЗСОr (к схемам рис. 63, б, 69) и R (к схеме рис. 72)

Рис. 67. График для определения протяженности 3COR (к схеме рис. 63, б)

Рис. 68. График для определения ширины ЗСО d (к схеме рис. 63, б)

Рис. 69. Схема фильтрации к береговому сосредоточенному водозабору при отсутствии бытового потока (q = 0)

Рис. 70. График для определения протяженности ЗСО R (к схеме рис. 69)

Рис. 71. График для определения ширины ЗСО d (к схеме рис. 69)

Рис. 72. Схема фильтрации к береговому сосредоточенному водозабору при естественном потоке, направленном от реки

Рис. 73. График для определения протяженности ЗСО r (к схеме рис. 72)

Рис. 74. График для определения ширины ЗСО d (к схемам рис. 69 и 72)

Рис. 75. Схема фильтрационного течения и береговому сосредоточенному водозабору при естественном потоке, параллельном реке

a - относительно малый расход водозабора; б - большой расход водозабора

Рис. 76. График для определения протяженности ЗСО R (к схеме рис. 75)

Рис. 77. Схемы фильтрации к линейному береговому водозабору

а - естественный поток направлен к реке; б - естественный поток отсутствует; в - естественный поток направлен от реки; г - естественный потов параллелен реке

Рис. 78. График для определения протяженности ЗСО R (к схеме рис. 77, а)

; ; ; ;

Рис. 79. График для определения протяженности ЗСО R (к схеме рис. 77, б)

Рис. 80. График для определения ширины области питания линейного берегового водозабора y _р (к схеме рис. 77, в)

Рис. 81. График для определения протяженности ЗСО r (к схеме рис. 77, в)

Рис. 82. График для определения протяженности ЗСО R (к схеме рис. 77,г)

Рис. 83. График для определения протяженности ЗСО (r и R) при действии сосредоточенного водозабора в изолированном неограниченном пласте

Рис. 84. Схема фильтрации к линейному водозабору в неограниченном пласте

Рис. 85. График для определения протяженности ЗСО (R и r) при действии линейного водозабора в изолированном неограниченном пласте

Рис. 89. Схемы фильтрации в водозабору в условиях дополнительного питания пласта

a - план; б - схема с дополнительным питанием путем перетекания из соседних пластов; в - схема с дополнительным питанием за счет уменьшения испарения

13.22. При расчетах ЗСО береговых водозаборов необходимо учитывать несовершенство речных русел, обусловленных неполнотой их врезки в водоносный пласт, а также наличием в ложе слабопроницаемых включений, затрудняющих гидравлическую связь подземных и поверхностных вод.

Практически несовершенство речных русел можно учесть с помощью метода дополнительного слоя L, в соответствии с которым все расчеты ведутся для совершенных русел, но урез реки отодвигается при этом на величину ,

где b - ширина реки; ; km - водопроводимость пласта; k_o и m_о - коэффициент фильтрации и мощность слабопроницаемого экранирующего слоя под руслом реки.

Таким образом, чтобы при расчетах ЗСО учесть несовершенство русел рек и водоемов, в соответствующих формулах и графиках к табл. 42 вместо расстояния x₀ между рекой и водозабором следует брать величину .

 Продолжение документа: ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84) часть 4