ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84) часть 4 - Обоснование оптимальных схем береговых (инфильтрационных) водозаборов подземных вод

Содержание материала

 

Обоснование оптимальных схем береговых (инфильтрационных) водозаборов подземных вод

17.11. При проектировании водозаборных сооружений в речных долинах следует исходить из того, что их производительность в основном будет обеспечиваться за счет фильтрационного потока из реки. Поэтому здесь скважины целесообразнее всего размещать в виде линейного ряда параллельно берегу реки на небольших расстояниях друг от друга.

Именно такая схема береговых водозаборов является наиболее распространенной и применительно к ней ниже будет излагаться методика выполнения технико-экономического расчета.

В пп. 17.12 и 17.13 рассмотрены два случая: понижение уровня воды в различных вариантах водозабора может изменяться (Sо = const); понижение уровня воды в скважинах водозабора при различном их расположении остается постоянным (So = const).

17.12. При изменяющемся понижении уровня основная расчетная формула для определения оптимального варианта расположения водозаборных скважин lо имеет вид:

ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2; (202)

ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2.

Формула (202) определяет оптимальное расстояние между скважинами водозабора lо, которое зависит от принятого числа скважин схемы подключения скважин к сборному водоводу, а также гидравлических и стоимостных параметров системы транспорта воды. Последовательность расчетов при выборе оптимального варианта в данном случае должна быть следующей:

шаг 1 - положить п = п1, где п1 - начальное (произвольное) число скважин водозабора, и вычислить Qo = Q/п1 - расход одной скважины линейного водозабора;

шаг 2 - в соответствии с выбранным количеством скважин выделить участки водовода, определить расходы q и диаметры Dj в пределах каждого участка; затем по формулам (177) и (182) рассчитать КПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2, AПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2, ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2CT и ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2э;

шаг 3 - по формулам (188) и (192) найти величины ПS и ПВ. Вычислить оптимальное расстояние между скважинами lо [формула (202)] и общую длину водозабора 2l = lo(n-1);

шаг 4 - найти понижение уровня подземных вод So. В данном случае для этого может быть использована формула Маскета-Лейбензона

ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2, (203)

где km - водопроводимость пласта; xо - расстояние от реки до водозабора; r0 - радиус скважин водозабора;

шаг 5 - по формуле (186) рассчитать приведенные затраты Пi, связанные с сооружением и эксплуатацией рассматриваемого варианта водозабора;

шаг 6 - увеличить (уменьшить) количество водозаборных скважин и выполнить заново все расчеты.

Указанные операции повторяются до тех пор, пока не будет выявлено количество водозаборных скважин п, при котором величина приведенных затрат минимальна: Пi = тiп.

Пример расчета. Требуется запроектировать береговой водозабор производительностью Q = 34560 м3/сут в долине реки Зеравшан. Мощность водоносного горизонта от m = 34 м, коэффициент фильтрации k = l00 м/сут. Скважины размещаются на расстоянии xо = 100 м от уреза реки.

Ввиду ограниченности поперечных размеров участка сбор воды от скважин предполагается осуществлять в соответствии со схемой на рис. 96, а при прокладке водовода постоянным диаметром (D = 500 мм) вдоль всего ряда скважин.

Дальнейшие расчеты сводятся к определению оптимальных значений lр, sp, Q и П по каждому анализируемому варианту при заданном п.

На рис. 97 представлены графики зависимости перечисленных искомых величин от числа задействованных скважин п. Графики построены по результатам расчетов с использованием формул (202) для определения lр и формулы (203) для определения Sp. Величины П рассчитывались по формуле (186).

Как видно из графиков, при заданной производительности водозабора Q с увеличением числа скважин п величины lр и S уменьшаются, а общие затраты на единицу производительности, приведенные к одному году, в данном примере возрастают. Поэтому, если исходить лишь из условия минимизации целевой функции, то следует принять вариант с наименьшим числом скважин. В более общем случае, помимо условия П = min, необходимо учесть ряд дополнительных ограничений.

ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2

Рис. 97. Графики для определения оптимальных значений So, l0, Q, п и П

При проектировании водозаборов в долинах горных рек, где водовмещающие породы представлены гравийно-галечными отложениями с хорошими фильтрационными свойствами, несмотря на высокие дебиты, действительные понижения уровня воды в скважинах оказываются незначительными и существенно меньшими Sдоп. Вместе с тем производительность водозаборных сооружений лимитируется как ограниченной пропускной способностью скважин (с увеличением нагрузки скважины начинают песковать), так и возможностями подбора водоподъемного оборудования при работе его в области оптимальных значений КПД. Таким образом, вместо условия ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2 в таких условиях может потребоваться учет ограничения вида

Q = Q/nПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2,

где ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2- максимально возможный дебит скважин, определяемый либо по результатам специальных откачек, либо по опыту эксплуатации водозаборов в данных условиях.

Для выбора варианта будем исходить из минимальной производительности скважин, считая ее известной по опыту эксплуатации водозаборов в подобных условиях. Так, например, для водозаборов, расположенных в долине реки Зеравшан, производительность скважин в течение года изменяется от 240 до 300 м3/ч. Принимая за расчетный дебит Qo = 240 м3/сут, имеем п = 6, lо = 60 м, So = 5,5 м и общая стоимость водозабора составит 52704 руб. (П = 0,00418 руб. м3/год).

В долинах равнинных рек фильтрационные параметры водоносных пластов намного ниже, чем в рассмотренном примере. Это приводит к тому, что уже при небольших расходах скважин образуются значительные понижения уровня воды. Для таких условий в силу вступает ограничение вида S<Sдоп.

17.13. Выбор оптимального варианта при условии одинаковых понижений уровня упрощается, так как из числа варьируемых параметров исключается величина понижения уровней So. Оптимальный вариант подбирается по двум параметрам: количество водозаборных узлов (скважин) и расстояния между узлами l0. Известными считаются все конструктивные элементы водозабора (средний диаметр сборного водовода, водоподъемных труб, схема трассировки водовода и т. д.) и суммарный расход скважин водозабора Q.

Расчет оптимального варианта в рассматриваемом случае может быть выполнен по формулам:

ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2; (204)

ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2, (205)

где ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2 = l0/xo; ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2 = Q/2ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2kmS0, ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2 = ro/rо;

ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2с = Псв xо; ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2 = Эов xо;

х0 - по-прежнему расстояние от реки до водозабора; rо - радиус скважин водозабора.

Величина Пс в равенстве (204) определяется по формуле (190), численное значение единичной стоимости водовода приближенно находится по соотношению (194), а параметр Эо - по уравнению (197) для условий установившейся фильтрации подземных вод.

Практическое использование формулы (204) осуществляется следующим образом. Сначала следует задаться произвольным значением параметра lо и по формуле (205) найти соответствующее ему значение п (с округлением до большего целого числа). Затем найденные значения lо и п подставляются в соотношение (204). Если при этом равенство (204) будет выполнено, то данные значения lо и п являются оптимальными. В противном случае следует повторить расчет с иным значением величины lо.

Пример расчета. Расход берегового водозабора, располагающегося на расстоянии xо = 100 м от уреза реки, проектируется в размере 35 тыс. м3/сут. Водопроводимость водоносного горизонта равна 500 м3/сут. Статический уровень располагается на отметке Hc = 5 м от поверхности земли. Понижение уровня подземных вод в процессе эксплуатации водозабора должно составить So = 15 м. Конечный диаметр водовода из стальных труб, укладываемого в одну линию по схеме рис. 96, а, равен D = 500 мм. Диаметр водоподъемных труб принимается D = 150 мм. Радиус водозаборных скважин rо = 0,2 м. Стоимость сооружения и оборудования 1 скважины K0 = 5000 руб., стоимость электроэнергии ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2 = 0,02 руб., ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2 = 0,8.

Находим приведенные затраты на сооружение и оборудование одной водозаборной скважины. Принимая p1 = 0,1 и Ен = 0,15, по формуле (190) получим

Пс = (0,1+0,15).5000 = 1250 руб.

Величину Пв определяем по соотношению (194). Предварительно найдем средний диаметр водовода

Dcр = (2/3)0,5 = 0,33 м.

Следовательно, по формуле (177) и табл. 44

КB = 6,9+5,3.0,33 = 8,6 руб/м;

А = 0,001736/0,335,3 = 0,62;

Принимая ра = 0,04, Eн = 0,15 и полагая К° = 0, найдем:

Пв = (0,04 +0,15) 8,6+0,25 [0,2.(35000)3]/[0,8 (86 400)2].0,62 = 1,63+22,26 = 23,9 руб.

Величина Эо по формуле (197) равна в этом случае А = 0,001736/0,155,3 = 40,3):

Эо = (0,02/0,8)(35000/86400)40,32 (5 + 15) = 8,2 руб.

Таким образом:

ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2с = 1250/(23,9.100) = 0,5 м; ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2 = 8,2/(23,9-100) = 0,003 ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 20.

Кроме того:

ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2 = 0,2/100 = 2.10-3; ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2 = 35000/(2ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2.15.500) = 0,74.

Положим для начала ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2 = 0,8; по формуле (195) найдем п = 9; подставив эти значения в формулу (204), получим, что это равенство почти выполняется; невязка составляет 0,04. Повторив те же расчеты ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2 = 0,9, получим п = 8, а невязка равна 0,02. Таким образом, в оптимальном варианте:

ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) часть 2 = 0,9; lо = 90 м; n = 8; 2l = 90.7 = 630 м.