Пусть водозабор подземных вод, состоящий из одиночной скважины или компактной группы взаимодействующих скважин, эксплуатирует водоносный горизонт вблизи совершенной реки (водоема). Урез реки для большинства случаев схематически можно рассматривать как прямолинейный контур бесконечной длины. Считается также, что водозабор работает с постоянным расходом Q и удален от реки на расстояние Хо (рис. 23). В дальнейшем будем полагать, что ось у совпадает с урезом реки, а ось х проходит через центр сосредоточенного водозабора или линейного ряда скважин. На урезе реки, т. е. при л:=0, задается условие постоянства напора (или уровня) подземных вод.
Расчетные формулы для определения границ ЗСО получены для условий стационарной фильтрации. Как показано в работе В. М. Гольдберга [12], время продвижения подземных вод при стационарном режиме незначительно отличается от времени движения при нестационарном режиме, особенно на сравнительно небольших удалениях от водозабора. Так, если путь фильтрации? до водозабора равен 1000 м, то это расхождение составляет (в бесконечном пласте) всего 3,7%. Поскольку при нестационарном режиме скорость перемещения частиц воды меньше, чем при стационарном, расчеты по формулам для стационарного режима дают некоторый запас прочности [12].
Рис. 23. Схема расположения сосредоточенного берегового водозабора
Береговой водозабор подземных вод может работать при наличии естественного потока, направленного к реке или от нее, а также в условиях бассейна, т. е. без естественного потока.
Естественный поток направлен к реке. Зона захвата берегового водозабора для рассматриваемого случая, когда естественный поток подземных вод направлен к реке, представлена на рис. 24.
|
Рис. 24. Схемы фильтрации к сосредоточенному береговому водозабору при естественном потоке, направленном к реке:
а — относительно малый расход водозабора (Q<пx0q); б — большой расход водозабора (Q> пx 0q). Условные обозначения см. на рис. 14
Схема на рис. 24,а характеризует фильтрационный поток, когда дебит водозабора Q полностью компенсируется естественным потоком (т. е. Q=Qe), а речные воды не участвуют в питании водозабора (Qp = 0). При этом образуется водораздельная точка N с координатами х — хр, и y=0, располагающаяся между водозабором и рекой и ограничивающая предельные размеры ЗСО вниз по естественному потоку подземных вод. Положение этой точки, лежащей на нейтральной линии тока, определяется координатой., для которой имеется следующее выражение:
(48)
где хф = хр/х0; Q = Q/( п gx0).
Формула (48) справедлива при относительно малом дебите водозабора (Q<1), при котором только и возможна рассматриваемая схема течения.
Выражения для составляющих скоростей vx, vy и функции тока в этом случае можно представить в таком виде:
(49) (50) (51)
где у=у/х0.
Из формулы (51) можно получить уравнение нейтральной линии тока
(52)
ограничивающей область питания водозабора.
С помощью того же уравнения (51), полагая- x->оо, можно также определить максимально возможную ширину области за-хвата dmax
dmaX = пQ/2, (53)
где d=d/x0.
Ширина области захвата, выражаемая по (53), соответствует времени t — >oo.
Используя выражение (49) по формуле (R = Rq+АR), можно получить зависимость между расчетным периодом времени Т и протяженностью R ЗСО вверх по потоку:
|
R=T+ДR (54)
где R = R/x0; T=qT/ (mnx0);
ДR=[(l-xP2)/2xv]ln[l+2xpR/(l+R-xpR)]. (55)
Первое слагаемое в уравнении (54) T=Rq (где RQ=RCI/X0) представляет собой расстояние Rq, преодолеваемое частицами воды за время Т в естественных условиях при отсутствии водозабора (при движении со скоростью бытового потока q), т. е. Rq — =qT/(mn).
Второе слагаемое (ДR = ДR/x0) определяет дополнительное расстояние, которое проходит частица воды при эксплуатации водозабора за то же время Т. Величина R входит в выражение (55) неявным образом. На рис. 25,а представлены графики для определения величины Д R в зависимости от задаваемого периода времени Т и значений xр.
Из выражения (55) можно получить, что при хр->0 (раздельная точка смещается к урезу реки) ДR->1, т. е. ДRmах<1. Поскольку обычно ДR>xр, заменяя в формуле (55) логарифм первым членом его разложения, можно получить
ДR=(1-xр2)R/(1+R)=R/(1+R). (56)
Подставляя выражение (56) в формулу (54), получим приближенное выражение величины R:
(57)
При хр<0,5 вычисления по приближенной формуле (57) дают относительную погрешность не более 10%. При Т>8 она с той же погрешностью справедлива для любых значений яр.
Протяженность ЗСО г вниз по потоку подземных вод от водозаборного сооружения может быть найдена из выражения
T=[(l — xp2)/2xp] ln[l+2xрr/(l-r-x2-xpr)]-r, (58)
где r =r/х0. Для определения величины г можно воспользоваться графиками на рис. 25,6. Понятно, что максимально возможное значение величины rравно расстоянию между водораздельной точкой и водозаборам, т. е. rmax=1 — хр.
Рис. 25. Графики для определения протяженности ЗСО АR (а) и r (б, в):
|
Графики на рис. а, б к схеме на рис. 24,а, на рис. в к схеме на рис. 24,6:
Ширина d области захвата и ЗСО водозабора в данном случае приближенно может быть установлена на основе следующих соображений. Площадь захвата F=QTl(mn). Приравнивая величину F к площади эллипса с осями L=R+r и 2d, которым схематично изображается область захвата, можно получить следующее выражение для определения максимальной ширины области захвата:
(59)
где d = d/x0.
При увеличении дебита водозабора водораздельная точка N смещается в сторону реки и в предельном случае, когда Q = =1, располагается на урезе реки (хр = 0).
При дальнейшем увеличении дебита водозабора, когда Q> 1, отбор подземных вод частично компенсируется поступлением в водоносный пласт речных вод. Схема для данного случая приведена на рис. 24,6. Дебит водозабора Q в таких условиях складывается чз фильтрующихся речных вод QP и части бытового потока подземных вод Qe: Q=QP+Qe, где Qp = 2Q arctg yp — 2yp,
здесь yp = — y0/x0, Qp=QP/(qx0)]; Qe=2Q arctg yp+2yp,
здесь Qe = Qe/(qx0)}.
Из этих выражений видно, что соотношение между составляющими дебита водозабора в значительной степени зависит от величины ур — половины ширины фронта фильтрации речных вод на урезе реки, которая определяется следующим образом:
(60)
В табл. 14 приведены значения отношения QP/Qe для различных величин yp и Q.
Из данных, приведенных в таблице, видно, что при ур= = (2 — 2,5)x0 речные воды составляют примерно половину дебита водозабора. При увеличении его производительности доля привлекаемых речных вод возрастает.
Протяженность т ЗСО в области между рекой и водозабором может быть найдена из зависимости
T=[(l+yP2)/yP]arctg[ry9/(l+yP2-r)]-r. (61)
Понятно, что величина г не может быть больше расстояния хй между рекой и водозабором, т. е. гтах=1. График для определения величины rпо формуле (61) приведен на рис. 25,0.
Выражение (61) может быть использовано также для определения времени Tреч, в течение которого речная вода достигает водозабора. В этом случае необходимо принять r=x0 (r=l) и тогда
TРеч=[(1+yр2)/yР] arctg (1/yp)-1. (62)
Вверх по потоку подземных вод протяженность R ЗСО можно определить из выражения
(63)
Таблица 14
Q | yР | Qр/Qе | Доля речных вод в дебите водозабор Qp/Q, % |
1,0 | 0,2 | 18,2 | |
1,4 | 0,4 | 30,7 | |
1,7 | 0,6 | 39,1 | |
2,0 | 0,8 | 45,0 | |
2,2 | 1#0 | 50,0 | |
2,4 | 1,1 | 52,3 | |
2,6 | 1,3 | 55,6 | |
2,8 | 1,4 | 58,2 | |
3,0 | 1,5 | 60,4 |
Рис. 26. Графики для определения параметров SCO d (а) и АR (б) к схемам на рис. 24,6. См. формулы к рис. 25
На рис. 26,6, приведены графики изменения величины АR, получаемой с помощью формулы (63), в зависимости от Т.
Ширина области захвата в данном случае устанавливается по времени движения частиц воды к водозабору. В общем виде это время определяется по формуле
(64)
Ширина d ЗСО находится из условия dT/dФ = 0. График для определения величины d, полученный таким образом, представлен на рис. 26,с. Из него видно, что при относительно малых значениях времени Т (TQ<6 — 10) ширина ЗСО практически не зависит от величины естественного расхода q. В этот период она может быть найдена по формуле (59). При более длительных периодах времени величина d растет и достигает максимального значения dmax, которое может быть найдено по формуле
(65)
где (d — d/x0).
На рис. 26,а приведены некоторые значения dmax для различных q=1/Q. Из графиков на этом рисунке видно, что при Q< 5 величина d сравнительно быстро достигает своего максимального значения.
Пример расчета. Для водоснабжения поселка проектируется пробурить в аллювиальных отложениях на расстоянии x0=100 м от реки скважину с проектируемым дебитом скважины Q=2000 м3/сут. Средний коэффициент фильтрации аллювиальных отложений k = 30 м/сут, мощность водоносного горизонта т = 30 м, активная пористость водоносных пород n = 0,25, уклон естественного потока i = 0,001.
Требуется определить размеры второго пояса ЗСО, исходя из возможности бактериального загрязнения пласта (Tм = 400 сут), и третьего пояса, рассчитанного на весь срок эксплуатации водозабора Тх=25 лет (104 сут).
Для расчета искомых величин найдем сначала расход естественного потока q = kmi=30*30*0,001 = 0,9 м2/сут. В данном случае Q> п x0q, так как 2000> >3,14*100*0,9 и, следовательно, условия работы водозабора соответствуют схеме на рис. 24,6.
Для определения протяженности rЗСО от водозабора в сторону реки используем график на рис. 25,в. Найдем сначала значения безразмерных параметров: 9=1/Q = 3,14*100*0,9/2000=0,14; T1 = TQ=2000*400/(3,14*30*0,25*1002) = 3,4 при T=400 сут; T1 = TQ=2000*104/(3,14*30*0,25*1002) =85 при T=104 сут.
По графику, приведенному на рис. 25, в (схема на рис. 24,6), устанавливаем, что данным значениям Т1 и q соответствует величина г>1. Это значит, что Т больше времени движения воды от реки до водозабора (T>Tреч) и, следовательно, нужно принять r=x0=100 м.
Ширину фронта фильтрации речных вод на урезе реки ур можно определить по формуле (60):
Время, за которое речные воды дойдут до водозабора, определим по формуле (62):
Определим теперь протяженность R ЗСО вверх по потоку подземных вод. По формуле (54) найдем сначала расстояние Rq, которое проходит частица воды, двигаясь со скоростью естественного потока: Rq=0, 9*400/(30*0,25) =48 м при Tм=400 сут; Rq = 0,9*104/(30*0,25) = 1200 м при Tх=104 сут.
Далее по графику на рис. 26,6 находим дополнительное расстояние АR, обусловленное действием водозабора: q = 0,14; Т =0,9*400/(30*0,25*100)=0,48 при Tм = 400 сут; 7=0,9*104/(30*0,25*100) = 12 при Tх=104 сут. Следовательно, ДR = =1,25, а ДR= 1,25*100= 125 м при Tм=400 сут; ДR = 3,0, а ДR = 3,0*100 = 300 м при Tх=104 сут.
Далее по формуле (54) получим: R = 48+125= 170 м при Гм = 400 сут; R= = 1200+300=1500 м при Tx=104 сут, а общая протяженность второго и третьего поясов составит: L=100+170=270 м при Гм = 400 сут; 1=100+1500=1600 м при Г, = 10* сут.
Для определения ширины ЗСО используем график на рис. 26,а. При этсм (7 = 0,14; f i = 3,14 для Гм=400 сут и f,=85 для Гх = 104 сут.
Этим значениям безразмерных параметров соответствуют: 5=1,6 (Гм= =400 сут) и 3=5 (Гх=104 сут). Следовательно, d= 1,6-100=160 м и d=5-100= =500 м.
Дебит водозабора в рассматриваемом случае складывается из фильтрующих речных вод Qp и бытового потока подземных вод Qe. Значения этих величин следующие:
Естественный поток отсутствует. Структура течения подземных вод к сосредоточенному береговому водозабору в условиях, когда естественный поток практически отсутствует, изображена на рис. 27. Очевидно, что питание водозабора в этом случае при установившемся режиме фильтрации полностью осуществляется речными водами (Q = Qp), а питание из естественного потока отсутствует (Qe = 0).
Расчетные зависимости для определения протяженности ЗСО имеют следующий вид:
для расчета R (в сторону берега)
(66)
для расчета r (в сторону реки)
(67)
Выражение (67) при r=1 дает формулу для расчета минимального времени продвижения речных вод к водозабору по кратчайшей линии тока:
Tреч=2/(3Q). (68)
График для определения величины r приведен на рис. 28,а. Значение R может быть получено по графику на рис. 28,6, ad — по графику на рис. 28,б (для больших значений времени Т1) и рис. 28,г (для малых значений Т1).
Рис. 27. Схема фильтрации к береговому сосредоточенному водозабору при отсутствии естественного потока (q=0): а — план; б — разрез. 1 — уровень подземных вод; 2 — линии тока. Условные обозначения см. на рис. 14
Рис. 28. Графики для определения протяженности ЗСО (к схеме на рис. 27).
Пример расчета. Определим размеры второго и третьего поясов ЗСО при отсутствии естественного потока подземных вод (i=Q, q = 0).
Для определения протяженности ЗСО от водозабора в сторону реки используем график на рис. 28,а. Значения безразмерных параметров будут следующими:
Ti=2000*400/(3,14*30*0,25*l002)=3,4 для Гм = 400 сут и T1 = 2000*104/(3,14*30*0,25*1002)=85 для Гх=104 сут.
По графику r=rmax=l, тогда г=100 м, т. е. расчетное время больше времени движения воды от реки до водозабора.
Минимальное время движения речных вод к водозабору можно определить по формуле (68): Tреч= (2/3) * (3,14-30 -0,25-1002)/2000 = 79 сут.
Определим протяженность R ЗСО от водозабора в сторону берега, для чего воспользуемся графиком на рис. 28,б. Значения безразмерных параметров будут следующими:
для Tм = 400 сут:
T1=3,4; lgT1 = 0,53, тогда R =1,5, следовательно, R=1,5-100=150 м, а общая длина ЗСО L=100+150=250 м,
для Tх=104 сут:
T1 = 85; lgr, = l,92, тогда R = 5,5, следовательно, R=5,5-100=550 м, а общая длина ЗСО L= 100+550 = 650 м.
Для определения ширины ЗСО используем графики, приведенные на рис. 28,6 и 28,г: при Tм=400 сут T1=3,4, и по графику на рис. 28,г d=1,6 и d=l,6-100=160 м; при Tx=104 сут T1=85, и по графику на рис. 28,s d=5 и d=5*100 = 500 м.
В рассмотренном случае дебит водозабора обеспечивается только за счет поступлений речных вод; т. е. Q=Qp.
Естественный поток направлен от реки. На рис. 29 представлена схема фильтрации к береговому сосредоточенному водозабору при естественном потоке, направленном от реки в сторону берега. При этом на оси х образуется водораздельная точка N, координата которой Хр определяется из выражения
(69)
Протяженность R ЗСО в сторону реки (вверх по потоку) в этом случае может быть найдена из соотношения
Величину К можно также найти по графику, приведенному на рис. 30,а. При этом очевидно, что R<1.
При R=l (R=x0), т. е. если частица воды начинает свой путь от уреза реки, выражение (70) даст формулу для определения времени Греч начала поступления речных вод в водозабор:
Tреч=1-1п[(xр-1)/(xр+1)],(71)
Размер г ЗСО вниз по потоку (в сторону берега) определяется для данной схемы из выражения
T=[(xP2-l)/(2xp)]ln{[l+r(xp+l)]/[l-r/(xp-l)]}-r. (72)
На рис. 30,6 приведены также графики зависимости величины rот времени Т и координаты Xр. Очевидно, что в предельном случае rmах = Xр — 1.
Ширина d ЗСО в зависимости от величины Т1 и q=l/Q может быть определена по графикам, приведенным на рис. 30,0. Из рис. 30,0 видно, что при относительно небольших дебитах водозабора Q<2 (или q>0,5) ширина ЗСО быстро достигает своего максимального значения dmax=yp и далее остается постоянной.
Понятно, что для данной схемы дебит водозабора полностью обеспечивается притоком речных вод, т. е. Q = QP, a Qe — 0.
Рис. 29. Схема фильтрации к береговому сосредоточенному водозабору при
естественном потоке, направленном от реки:
а — план; б — разрез. Условные обозначения см. на рис. 14
Пример расчета. Требуется рассчитать границы ЗСО для берегового водозабора, работающего в условиях, когда естественный поток направлен от реки с уклоном i — 0,001. Остальные исходные данные такие же, как и в предыдущих примерах: х3=100 м; Q = 2000 м3/сут; 6 = 30 м/сут, т = 30 м; «=0,25; q= = 0,9 м2/сут; Гм=400 сут, 7Х=104 сут.
Сначала по формуле (69) найдем параметр хр, определяющий положение водораздельной точки N:
а xр = 2,84 -100 = 284 м.
Далее по графику, приведенному на рис. 30,а, определим протяженность ЗСО вверх по потоку подземных вод, т. е. в данном случае в сторону реки. Безразмерные параметры, необходимые для нахождения величины R, имеют следующие значения: a=3,14*100*0,9/2000 = 0,14; T1=2000*400/(3,14*30*0,25*1002) = 3,4 для Tм = 400 сут; T1= (2000*104)/(3,14*30*0,25*l002)=85 для Tx =10* сут. При этих значениях безразмерных параметров Д = Rmах=1, тогда #=100 м, т. е. ЗСО должна захватить всю территорию между рекой и водозабором. Время Греч по формуле (71) составит:
Рис. 30, Графики для определения протяженности ЗСО (к схеме на рис. 29):
Для определения протяженности ЗСО в глубь берега воспользуемся графиком на рис. 30,6.
Безразмерные параметры, необходимые для определения л по графику, будут иметь следующие значения:
При хр = 2,84 и 7М=400 сут г=0,45, а г=0,45(284 — 100)=83 м. При хр=2,84 и 7х = 104 сут f=l,0, а г=1-(284 — 100) = 184 м. Таким образом, общая длина ЗСО составит: L=l00-f83=183 м при 7„= =400 сут и L = 100+184 = 284 м при 7Х=104 сут.
Для определения ширины ЗСО используем график на рис. 30,в. При T1=3,4 и q = 0,14 по графику d=l,5, а ширина ЗСО d= 1,5-100= 150 м (при TМ = 400 сут). При T1 = 85 и q = 0,14 по графику d = 2,5, а ширина ЗСО d= = 2,5*100=250 м (при 7Х=104 сут).
Естественный поток параллелен реке. Схемы фильтрации потока к сосредоточенному береговому водозабору, работающему в долине реки с естественным потоком, направленным вдоль реки, представлены на рис. 31. При этом возможны два случая, в каждом из которых схема течения подземных вод определяется соотношением дебита водозабора и расхода естественного потока.
Схема на рис. 31,а соответствует случаю сравнительно небольшого дебита водозабора, удовлетворяющего неравенству
(73)
где xр и ур — координаты водораздельной точки N, причем
(74) (75)
Особенностью этой схемы фильтрации является то, что речные воды при этом не поступают в водозабор, т. е. нейтральная линия тока (а следовательно, и область питания водозабора) не пересекает линии уреза реки.
Рис. 31. Схемы фильтрационного течения к береговому сосредоточенному водозабору при естественном потоке, параллельном реке:
а — относительно малый расход водозабора; б — большой расход водозабора Условные обозначения см. на рис. 14
При более интенсивном водоотборе в область питания водозабора попадает и река (см. рис. 31,6). В этом случае дебит водозабора Q складывается из привлекаемых речных вод (их вклад в дебит составляет величину QP) и части естественного бытового потока Qe. Обе эти составляющие дебита водозабора можно опре-делить из выражений пQе = 0,5Q arcctgyp +х p и пQр=0,5Q(2л — — arcctgyp — хр), где Qe = Qe/ ( п qxQ); Q P=QP/ ( п qxQ); xp и ур так же, как и для первой схемы, определяются по формулам (74) и (75).
Рис. 32. График для определения протяженности ДR ЗСО (к схеме на рис. 31):
Из этих формул следует, что при Q>2 x p2~0,5(Q+1), y р2~ 0,5Q2/(Q+1), при (Q>6 эти приближенные выражения еще более упрощаются: xгр=V0,5Q и yР= — V0,5Q, т. е. водораздельная точка N лежит в этом случае на прямой у= — х.
Протяженность R ЗСО вверх по потоку подземных вод можно определить для обеих схем по такой приближенной формуле:
Формула (76) получена на основе предпосылки о том, что линия тока, вдоль которой движение воды осуществляется с максимальной скоростью, совпадает с осью у. Величина R при этом несколько завышается. Значения величины АR представлены также на графиках на рис. 32.
Протяженность rЗСО вниз по потоку можно приближенно оценить таким образом:
Tmах=yр. (77)
Ширина ЗСО для этих схем может быть приближенно установлена по формуле (59), a dmax=Qe/2q. Следует иметь в видуг что ЗСО для рассматриваемых схем асимметрична: ее ширина в сторону реки несколько больше, чем в сторону берега.
Минимальное время Tреч движения речных вод к водозабору для схемы на рис. 31,6 оценивается приближенно по формуле (68). При этом величина Tреч будет несколько занижена.
Пример расчета. Для расчета границ второго и третьего поясов ЗСО одиночного водозабора, расположенного у реки, при естественном потоке с уклоном i =0,001 (q = 0,9 м2/сут), направленном вдоль долины, используем те же исходные данные, что и в предыдущих примерах.
Найдем сначала координаты хр и ур водораздельной точки N по формулам (74), (75): Q = 2000/(3,14*0,9*100)=7,08;
В данном случае 7,08>2,01 (6,28 — arcctg 1,75), т. е. неравенство (73) не выполняется и, следовательно, схема фильтрации к водозабору соответствует схеме на рис. 31,6.
Протяженность ЗСО вниз по потоку подземных вод — величину г — приближенно можно оценить по положению водораздельной точки: r=yр=175 м.
Определим теперь протяженность R ЗСО по потоку подземных вод. Найдем сначала расстояние Rq, которое проходит частица воды, двигаясь со скоростью естественного потока: Rв = 0,9*400/(30*0,25) =48 м для Tм = 400 сут; Д,=0,9Х Х104/(30*0,25) = 1200 м для Tх=104 сут.
Далее по графику на рис. 32 находим дополнительное расстояние AR, обусловленное действием водозабора: 9=0,14; Т =0,9*400/(30*0,25-100) =0,48 для Tм = 400 сут; T=0,9*104/(30*0,25*100)=12 для Tх=104 сут.
Следовательно, ДR=1,4, а AR = 1,4*100=140 м (7М = 400 сут) и АЛ=2, а ДR=2*100=200 м (Tx=104 сут).
Далее имеем: R=484+140~190 м и R=1200+200=1400 м, а общая протяженность второго и третьего поясов составит: L= 175+190 = 365 м для Тм и L — = 175+14004-1575 м для Т*.
Найдем теперь составляющие баланса подземных вод, поступающих к водозабоу:
Qp = 2,92-6,28-100-0,9 = 1650 м3/сут.
Время поступления речных вод к водозабору определим по формуле (68): TРеч=2/3*(3,14*30*0,25*1002/2000)=79 сут.
Для расчета ширины ЗСО используем формулу 2d=Qe/q: 2d=345/0,9 = =380 м.
Рис. 33. Схемы фильтрации к линейному береговому водозабору. Естественный поток направлен к реке (а), отсутствует (б), направлен от реки (в), параллелен ей (г). Условные обозначения см. на рис. 14