Uniwersytet Zielonogórski Zielona Góra 11.04.2006

Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska

Kierunek: Inżynieria Środowiska

PROJEKT 1

Hydrologia i hydrogeologia.

UJĘCIE WÓD PODZIEMNYCH. STUDNIA WIERCONA.

Wykonał:

Wojciech Klimczak

gr. 25

Zaprojektować studnie wierconą oraz wykonać obliczenia hydrogeologiczne dla ustalenia zasobów :eksploatacyjnych, dynamicznych i statycznych ujęcia wód podziemnych, znając profil hydrologiczny warstw oraz wyniki próbnych pompowań.

I. Należy wykonać następujące obliczenia:

a) zasobów eksploatacyjnych
Q_exp

b) współczynnika filtracji k i promienia leja depresji R.

Gdzie:

k - oblicza się na podstawie analizy składu ziarnowego;

R - oblicza się na podstawie próbnych pompowań.

c) współczynnik filtracji k na podstawie analizy składu ziarnowego warstwy wodonośnej.

d) współczynnik filtracji k na podstawie próbnych pompowań

e) wydajności jednostkowej q ( q =
) [m³/h*m]

Gdzie:

Q - wydajność studni [m³/h]

S - depresja [m]

II. Ustalić zasoby dynamiczne ujęcia,

III. Ustalić zasoby statyczne ujęcia,

IV. Obliczenia wielkości promienia stref ochronnych :

- ochrony bezpośredniej;

- ochrony biologicznej;

- ochrony zasobowej;

- ochrony chemicznej.

V. Wykonać projekt studni wraz z obudową.

VII. Dobrać wielkość i rodzaj filtru i obsypki.

Dane potrzebne do wykonania projektu:

I schemat mapy sytuacyjno-wysokościowej,

II karta dokumentacyjna otworu studziennego,

III wykres uziarnienia gruntu zawodnionego.

ZESTWIENIA WYNIKÓW WIERCENIA STUDZIENNEGO, SKALA 1:100

MODEL HYDROLOGICZNY PROJEKTOWANEJ STUDNI DOSKONAŁEJ

Studnia doskonała (całkowita, pełna) - studnia, która kończy się na warstwie nieprzepuszczalnej gruntu (gliny, iły).

Studnia niedoskonała (niecałkowita, niepełna) - studnia, która nie dochodzi do warstwy przepuszczalnej.

Gdzie:

R - promień leja depresji

H - wysokość ciśnienia statycznego

M - miąższość warstwy wodonośnej

S - depresja wody w studni

h - głębokość wody w studni w czasie pompowania

r- promień studni

DANE:

Dla zaprojektowanej studni dla n=2

Q₁ = 3,8 + 0,1 * n = 4,0 [m³/h] S₁ = 11,3 + 0,04 * n = 11,38 [m]

Q₂ = 8,1 + 0,1 * n = 8,3 [m³/h] S₂ = 20,6 + 0,04 * n = 20,68 [m]

Q₃ = 12 + 0,1 * n = 12,2 [m³/h] S₃ = 35,5 + 0,04 * n = 35,58 [m]

Obliczam miąższość warstwy wodonośnej :

M = 10 + 0,3 * n = 10,6 [m]

Obliczam ilość wody potrzebnej :

Q _exp = 2 + 0,1*n = 2,2 [m³/h]

Poziom wody nawierconej wynosi :

= 47 + n = 49 [m].

Poziom wody ustabilizowanej wynosi :

= 20 + n = 22 [m].

Średnica studni: Q

Promień studni (przyjęto) r = 0,1

Warstwa wodonośna

- piasek

OBLICZENIA

I . Ustalenie zasobów eksploatacyjnych.

1. obliczanie współczynnika filtracji k na podstawie analizy sitowej warstwy wodonośnej;

stosujemy wzór Krugera : dla d₁₀>0,02 [mm]

gdzie :

k₁₀ - współczynnik filtracji wody przez warstwę wodonośną w temp. 10^oC ;

n - porowatość gruntu z warstwy wodonośnej z tabeli dla piasku wynosi: n = 0,38;

a - sumaryczna powierzchnia właściwa cząsteczek gruntu zawartych w 1 cm³ [cm²/cm³];

gdzie :

N -liczba przedziałów obliczeniowych analizy sitowej;

i - kolejny numer przedziału;

g_i - część objętości próbki gruntu w [g]; dana frakcja wyrażona w ułamku [g₁/G];

G - całkowita waga próbki [g];

d_i - średnia średnica ziaren przedziału w [mm]:

d_g - górna średnica sita w przedziale w [mm];

d_d - dolna średnica sita w przedziale w [mm].

Tabela: do określenia wartości „a”

Nr działu	Zawartość powietrza ( % )	Średnica			gi
				dg			dd	di
1	10	0,008	0,001	0,0045	0,1	22,2
2	11	0,05	0,08	0,029	0,1	3,8
3	8	0,1	0,05	0,075	0,08	1,1
4	12	0,4	0,1	0,25	0,12	0,48
5	9	0,9	0,4	0,65	0,09	0,14
6	10	2,0	0,9	1,45	0,1	0,07
7	6	3,0	2,0	2,5	0,06	0,024
8	4	5,0	3,0	4,0	0,04	0,01
9	4	1,0	5,0	6,0	0,04	0,007
10	5	10,0	7,0	8,5	0,05	0,006
11	3	20,0	10,0	15,0	0,03	0,002
12	10	60,0	20,0	40,0	0,1	0,003
13	8	100,0	60,0	80,0	0,08	0,001
	∑=100%				∑=100	∑=27,843

Obliczenie współczynnika filtracji na podstawie próbnych pompowań:

- metodą kolejnych przybliżeń.

Z karty otworu wiertniczego przyjmuję dla n = 2,że wydajność studni Q i depresje R wynoszą :

Q₁ = 4,0 [m³/h] S₁ = 11,38 [m]

Q₂ = 8,3 [m³/h] S₂ = 20,68 [m]

Q₃ = 12,2 [m³/h] S₃ = 35,58 [m]

- długość części roboczej filtru l = 6,5 m. ;

- średnica otworu

- średnica filtra
=6*2,54 cm = 15,24 cm = 0,2 m.

- promień filtra r = 0,1 m.

- współczynnik filtracji z analizy sitowej

- miąższość warstwy wodonośnej M. = 10,9 [m]

Współczynnik filtracji
i promień leja depresji R:

gdzie:

Q - wydajność[m³/h]

M - miąższość warstwy wodonośnej [m]

S - depresja w studni [m]

R - zasięg promienia leja depresji [m]

r = 0,1 [m]

I Stopień pompowania:

Obliczam promień leja depresji :

Obliczam współczynnik filtracji :

II. Stopień pompowania

III. Stopień pompowania.

Średni współczynnik filtracji z badań pompowania potrzebny do dalszych obliczeń:

Obliczanie wydajności jednostkowej q:

a) ruch laminarny :

Gdzie:

Q - wydajność

S - depresja[m.]

q' =
=
=1,18

b) ruch turbulentny (burzliwy) :

q =

Gdzie:

Q - wydajność [m³/h]

S - depresja [m]

q₁ =
= 1,19

q₂ =
= 1,83

q₃ =
= 2,05

q'' =
=
= 1,72

Wniosek:

Ponieważ stosunek q' jest najbliższy jedności, jest to ruch laminarny. Wykonane obliczenia są dobre a zastosowane wzory właściwe.

Średnia wydajność jednostkowa q_śr:

Obliczam depresje studni eksploatacyjną S_ex

Promień leja depresji eksploatacyjnej R_exp:

Warunki pracy studni są określone przez zasoby eksploatacyjne ujęcia, wyznaczają ilość wody podziemnej, którą można pobierać w określonej jednostce czasu bez ujemnego wpływu na ilość i jakość ogólnych zasobów tej wody.

Q_exp= 2,2[m³/h]

S_exp= 6,11[m]

R_exp =63,50 [m]

Obliczam dopuszczalną maksymalną wydajność studni Q_max [m³/h] korzystając ze wzoru Abramona :

d - średnica filtru [m], d = [0,2]

l - długość części roboczej filtru[m], l = 6,5 [m]

V_dop - dopuszczalna prędkość wlotowa na filtr [m³/h]

Q_max - maksymalna przepustowość filtru [m³/h]

Aby obliczyć Q_max należy najpierw wyznaczyć wartość V_dop.

[m/h]

Wydajność maksymalna studni wynosi 93,16 [m³/h]

Założenie :

Warunek wystarczający:

S_exp=6,11

Ustalenie zasobów dynamicznych ujęcia wody.

Zasoby dynamiczne obejmują ilość wody, która w jednostce czasu przepływa przez przekrój poprzeczny określonego poziomu wodonośnego:

gdzie :

Q_dyn - zasoby dynamiczne [m³/h]

b- szerokość przekroju dla którego oblicza się Q_dyn [m]

k - współczynnik filtracji :

M.- miąższość warstwy wodonośnej :

I - spadek hydrauliczny:

∆h - odległość poziomów

l - odległość

Obliczam szerokość przekroju :

.

k = 0,000012[m/s]

M. = 10,6 [m]

Obliczam spadek hydrauliczny:

Warunek wystarczający aby Q_dyn≥Q_exp : 5,76≥2,2

Ustalenie zasobów statycznych ujęcia.

[m³]

gdzie :

Q_st - zasoby statyczne [m³]

M.- miąższość warstwy wodonośnej [m]

F - powierzchnia warstwy wodonośnej [m²]

- współczynnik odsączalności (wartość niemianowana).

M = 10,6

Obliczam powierzchnie warstwy wodonośnej :

[m²]

Obliczam
, współczynnik odsączalności.

Skorzystałam ze wzoru Biecińskiego:

Obliczam wartość zasobów statycznych ujęcia .

Obliczam czas pracy studni bez dopływu wody.

Dobór pompy

Średnica pompy < Średnica otworu

H_tłoczenia > H_{poziomu wody}

H_tłoczenia > H_{poziomu wody}+ S_exp+1 [m]

Hpoziomu wody Sexp

22,0 6,11 1,0 ∑= 29,11

Zatem H_tłoczenia = 29,11 [m]

Q_exp ≥ Q_pompy

Q_exp = 2,2 [m³/h] Q_pompy= 2,3 [m³/h]

Wybieram pompę, której H_tłoczenia wynosi 29,11 [m], Q_exp wynosi 2,2 [m³/h] oraz Q_pompy wynosi 2,3 [m³/h].

Z katalogu pomp zatopionych dobieram pompę JS-3 [m³/h], która przeznaczona jest do tłoczenia wody czystej o tepm. Do 333K = 60°C o pH od 5 do 9, zanieczyszczenie dopuszczalne ciałami stałymi do 400[g/m³]. Pompa zasilana jest napięciem 230V o obrotach 1420 [obrotów/s], w ciągu 7 minut. Zabezpieczenie elektryczne dwustopniowe, pompa o średnicy 71 [mm], o wysokości podnoszenia: H=103 [m] i wydajności 3,5 [m³/h]. Pompa zastała dobrana poprawnie.

Filtr i obsypka:

Średnica filtru 200 mm, promień filtru 100 mm.

Ujęcie wody z warstw wodonośnych luźnych wykonano za pomocą filtra siatkowego. Filtr ten stosuje się do odwadniania gruntów piaszczystych. Zbudowany jest z filtra szkieletowego lub perforowanego, na który nakłada się siatkę metalową lub geowłókninową . Otwory w szkielecie filtru są duże, a procent preforacji dochodzi do 40%.

Gdy mamy do czynienia z piaskiem gliniastym stosujemy obsypkę. Jej minimalna warstwa wynosi 5cm, stąd średnica otworu na wysokości filtru wzrasta do 300 mm. Piasek gliniasty gdy d=0,03 mm> od 10%.

Zasady wymiarowania otworów przelotowych :

Piaski i żwiry
otwory	różnoziarniste , U > 5	równoziarniste , U ≤ 5
średnica , ø	ø = (3 4)d50	ø = (2,0 3,0)d50
b) szerokość szczelin , ls	ls = (1,5 2,0)d50	ls = (1,25 1,5)d50
c) bok kwadratu siatki , l	l = ( 2,0 2,5 )d 50	l = ( 1,5 2,0)d 50

d₅₀ - średnica ziaren piasku odczytana dla 50 % zawartości piasku z krzywej składu ziarnowego warstwy wodonośnej.

1. Dobór siatki filtru : Należy obliczyć U i w zależności od jego wartości dobrać średnicę , szerokość szczelin i bok kwadratu siatki .

U =

U =

U >5

a) Dobór filtru (filtr szczelinowy z obsypką z rury perforowanej, okładzinowej)

b) Dobór wymiarów siatki :

- średnica:

ø = (3
4) · d₅₀ = 3,5·0,06 = 0,21

- szerokość szczelin w filtrze szczelinowym

l_s = (1,5÷2,0)· d₅₀ = 1,75·0,06= 0,105

- szerokość kwadratu siatki

l = ( 2,0
2,5 )· d₅₀ = 2,25·0,06 = 0,135

2. Dobór średnicy ziaren obsypki (D₅₀).

Dla piasków gliniastych D₅₀ = (4÷6) · d₅₀ = 4·0,06 ÷ 6·0,06 = 0,24÷0,36

Z tabeli obsypek dobrano obsypkę o uziarnieniu ( 0,24
0,36 ) mm ( zewnętrzna )

Obliczanie długości rury podfiltrowej osadnika wg wzoru Ćwiertniewskiego.

Gdzie:

L₀ - długość osadnika [m]

L - długość konstrukcji filtru, L = 7,0 [m]

α - współczynnik przepuszczalności wg tabeli

β- współczynnik zanieczyszczenia wody w otworze wg tabeli

M - miąższość warstwy wodonośnej M=10,6

Wartości współczynników do wzoru Ćwiertniewskiego.

Współczynnik	Charakterystyka warstwy filtrowanej
		Piaski drobne i pylaste	Piaski średnie	Piaski grube i żwiry
α	0,03	0,02	0,01
β	0,40	0,35	0,30

L₀ =7,0 * 0,40 + 10,6 * 0,03 = 3,12 [m]

4. Długość konstrukcji nadfiltrowej.

L_n = 2,5 + α* M [m]

Gdzie:

M - miąższość warstwy wodonośnej

L_n - długość rury nadfiltracyjnej bez uszczelnienia i głowicy

L_n = 2,5 + 0,02 * 10,6 = 2,71 [m]

terenie

Strefy ochronne.

Strefa ochrony bezpośredniej.

Dla studni wierconej przyjęto wielkość strefy ochronnej o promieniu 10m. Strefa ta powinna byś odgrodzona a jej powierzchnia pokryta naturalną murawą. Nie można na tym terenie prowadzić żadnej działalności gospodarczej . Może znajdować się tylko urządzenie do poboru wody, stacje pomp, hydrofornia .

Strefa ochrony biologicznej L

Warunkiem ochrony biologicznej ujęcia wody jest zapewnienie samooczyszczania się wody zanieczyszczonej mikroorganizmami na drodze infiltracji jako wskaźnik czystości wody przyjmuje się wskaźnik typu coli (bakteria kałowa o żywotności około 30 dni). W strefie tej nie powinno być farm zwierzęcych. Promień wynosi 32 metry, strefa powinna być ogrodzona w miarę możliwości.

[m]

gdzie:

k - współczynnik filtracji k =0,000012 [m/s] = 1,0368 [m/dobę]

różnica ciśnień

- współczynnik odsączalności
= 0,12

- współczynnik poruszania się organizmów w stosunku do prędkości wody
= 0,66

t - czas życia bakterii typu coli t = 30 dni

Obliczam L :

Strefa ochrony zasobnej.

Wielkość zostaje wyznaczona przez leja depresji eksploatacyjnej
.

Nie powinno być składowisk odpadów, oczyszczalni ścieków.

Strefa ochrony chemicznej t_c. prze

Określa ją czas przepływu wody podziemnej, od granic potencjalnego ogniska zanieczyszczenia w obrębie obszaru zasilenia, niezbędny do podjęcia środków zaradczych. W celu likwidacji tego zanieczyszczenia.

gdzie :

t_c - czas przepływu wody {doba}

- współczynnik odsączalności
= 0,12

k - współczynnik filtracji k =1,0368 [m/doba]

I - spadek hydrauliczny

L_u - odległość potencjalnego źródła zanieczyszczenia od studni [m]

a)

b)

VI. Opis obudowy studni:

Studnia z kręgów żelbetowych o średnicy 130[cm] i wysokości 100[cm] ułożonych na chudym betonie o R_w=90 i grubości 15 cm. Warstwę uszczelniającą tworzą dwie warstwy papy na lepiku, na którym znajduje się 25 cm betonu R_w=110.

Wejście do wnętrza studni pokrywa właz żeliwny, przy włazie znajduje się metalowa drabinka. Wentylacja za pomocą rury wywietrznej wystającej ponad teren na 30cm.

Spadek terenu obrębie kręgu wynosi 20‰, a poza nim 50‰.

2

200

400

D

---