Методические указания по курсовому проектированию

Цели и задачи курсового проектирования

Методические указания по курсовому проектированию по водному хозяйству написаны в соответствии с учебным планом и программой курса для специальности 130302 "Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания". Они обобщают накопленный на кафедре гидрогеологии опыт курсового проектирования и содержат варианты индивидуальных заданий для курсового проектирования, сведения о содержании и последовательности выполнения проекта и методические указания по его выполнению.

Курсовой проект имеет целью закрепление полученных теоретических знаний и развитие навыков самостоятельной творческой работы и практического применения полученных знаний для решения одной из важнейших водохозяйственных задач – обеспечение водоснабжения народнохозяйственных объектов. Курсовой проект выполняется параллельно с изучением курсов "Динамика подземных вод" и " Водоснабжение и инженерные мелиорации ", знания по которым используются и закрепляются в процессе курсового проектирования. Выполнение курсового проекта осуществляется на основе выдаваемых каждому студенту типовых индивидуальных заданий, содержащих минимум необходимых сведений о геолого-гидрогеологических условиях района проектируемого водоснабжения и об объектах водоснабжения.

Указанное обстоятельство предъявляет определенные требования к последовательности изучения учебного материала и его изу­чения по курсам "Водоснабжение и инженерные мелиорации" и "Динамика подземных вод" и вызывает необходимость проявления каждым студентом его творческих способностей, умения самостоятельно ставить и решать практические задачи, анализировать результаты выполненных исследований, работать самостоятельно с опубликованной учебной и методической литературой, четко формулировать содержание задач и вопросов, которые требуют дальнейшего изучения, делать правильные выводы и обобщения на основе результатов выполненных расчетов и исследований.

 

Общие положения

Курсовой проект должен быть посвящен вопросам гидрогеологического обоснования условий организации водоснабжения заданных объектов за счет использования подземных вод. Выполнение проекта дает возможность студенту ознакомиться с широким кругом вопросов, решаемых при организации водоснабжения, начиная с определения размеров водопотребления и кончая конкретным проектом водозабора, обеспечивающим решение задач водоснабжения заданных объектов в конкретных геолого-гидрогеологических условиях, определяемых индивидуальным заданием.

Тема курсового проекта может быть сформулирована следующим образом: "Гидрогеологическое обоснование условий организации водоснабжения рабочего поселка и промышленного объекта за счёт использования подземных вод (далее дается название, месторождения подземных вод или водоносного горизонта)".

В соответствии с указанной тематикой в курсовом проекте должны быть рассмотрены и решены следующие задачи: определение размеров водопотребления; оценка качества воды и выбор источника водоснабжения; анализ гидрогеологических условия объекта, их схематизация и обоснование расчетной схемы; обоснование количества и схемы расположения водозаборных скважин; выбор расчетного метода, расчетных формул и выполнение гидродинамических расчетов (гидрогеологическое обоснование); обоснование схемы водоснабжения и гидравлический расчет водопроводной сети; обоснование конструкции водозаборных скважин и их оборудования; организация зон санитарной охраны проектируемого водозабора.

Как видно из перечисления задач, выполнение курсового проекта требует применения знаний, полученных студентами при изучении таких дисциплин, как "общая гидрогеология", "бурение", "гидравлика", "химия", "динамика подземных вод" и др. Кроме того, работа над курсовым проектом предполагает широкое использование студентом специальной методической и справочной литературы, указанной в настоящем пособии и дополнительной рекомендуемой руководителем курсового проектирования.

Курсовой проект состоит из текстовой части, текстовых и графических приложений. Текстовая часть выполняется на бумаге установленного формата и включает введение, общую часть, расчетно-проектную часть, заключение и список использованной литературы. Ее общий объем 25-35 стр. Текстовые графические приложения должны служить четкой иллюстрацией геолого-гидрогеологических условий района, выполняемых гидрогеологических и гидравлических расчетов и проектируемой системы водоснабжения и ее отдельных элементов. Они выполняются на кальке или чистой белой бумаге черными чернилами. Нумерация страниц, таблиц, рисунков и формул должна быть сквозной. В тексте обязательны ссылки на номера приводимых таблиц, формул и рисунков, а также на используемые из методической и нормативной литературы нормы и рекомендации. Текст и приложения брошюруются c титульным листом в обложку, подписывается исполнителем и отдается на проверку руководителю курсового проектирования. Ориентировочно затраты времени на составление курсового проекта 25-35 ч.

Окончательная оценка, учитывающая содержание проекта, его представление, оформление и защиту, выставляется по пятибалльной системе и заносится в зачетную книжку и ведомость.

Содержание курсового проекта и методические указания по его выполнению

Представление о содержании курсового проекта и последовательности его выполнения дает общая структура курсового проекта. Исходя из необходимости решения всех перечисленных выше задач, она должна быть следующей:

Введение

1. Общая часть.

1.1. Исходные данные задания на проектирование системы водеснабжения.

1.2. Геолого-гидрогеологические условия района работ. Характеристика месторождения подземных вод.

2. Расчетно-пректная часть.

2.1. Определение размеров водопотребления.

2.2. Оценка качества воды и выбор источника водоснабжения.

2.3. Мероприятия по улучшению качества воды.

2.4. Анализ гидрогеологических условий, их схематизация и обоснование расчетной гидрогеологической схемы.

2.5. Обоснование количества и схемы расположения водозаборных скважин.

2.6. Выбор метода расчета и расчетных формул.

2.7. Гидродинамические расчеты по прогнозу условий работы проек­тируемого водозабора.

2.8. Выбор схемы водоснабжения объектов.

2.9. Гидравлический расчет водопроводной сети. Соотношение элементов системы водоснабжения по расходам инапорам.

2.10. Обоснование конструкций водозаборных скважин и их оборудования.

2.11. Организация и содержание зон санитарной охраны проектируемого водозабора.

2.12. Перспективы организации искусственного пополнения запасов подземных вод.

Заключение.

Список использованной литературы.

 

Во введении формулируются цели и задачи курсового проекта, отмечается, на каких материалах осуществляется курсовое проектирование, характеризуется методика реализации задач курсового проекта.

1. Общая часть. В общей части проекта излагаются данные задании на проектирование системы водоснабжения, сведения об объектахводоснабжения, геолого-гидрогеологических условиях района проектируемого водоснабжения и результатах выполненных гидрогеологических и др. исследований.

1.1. Исходные данные задания на проектирование системы водоснабжениявключают сведения об объектах водоснабжения, достаточные для определения размеров водопотребления (численность населения в поселке и число работающих на предприятии, технологический расход воды на предприятии и условия его работы, степень благоустройства зданий поселка) и схемы водоснабжения объектов (их высотное и взаимное расположение, конфигурация жилого массива, другие сведения). Они выдаются каждому студенту индивидуально в соответствии с вариантами, представленными в приложении 1 к настоящим методическим указаниям.

1.2. Геолого-гидрогеологические условия района рабат выдаются каждому студенту также индивидуально в соответствии с разработанными вариантами типовых индивидуальных заданий. По каждому из вариантов помимо сведений о геолого-гидрогеологических условияхконкретного месторождения подземных вод дается информация об основных результатах ранее выполненных исследований (сведения об условиях распространения, движения, питания и разгрузки подземных вод, установленных значениях гидрогеологических параметров, дебитах скважин при опробовании и т.д.) и установленных показателях качества воды. Информация о показателях качества подземных вод для всех рассматриваемых типовых вариантов индивидуального задания представлена в приложении 2 и принимается в соответствии с вариантом индивидуального задания.

2. Расчетно-проектная часть является основной частью проекта, в которой выполняется гидрогеологическое обоснование и дается проект водозабора подземных вод для водоснабжения рабочего поселка и промышленного объекта в заданных природных условиях.

Рассмотрим последовательно содержание и принципы выполнения основных вопросов расчетно-проектной части.

2.1. Определение размеров водопотребления осуществляется на основе исходных данных задания на проектирование и установленных норм расхода воды на различные нужды. Основным документом, опре­деляющим нормы расхода воды при проектировании систем хозяйственно-питьевого и производственно-технического водоснабжения является СНиП [20], который пересматривается каждые 10-12 лет.

В рассматриваемых условиях при водоснабжении поселка и промышленного предприятия следует учитывать водопотребление для хозяйственно-питьевых целей в поселке и на предприятии и на производственные нужды предприятия, на поливку территорий и на пожаротушение. В других условиях могут определяться расходы воды и для других целей (орошение, обводнение и пр.). Следует иметь в виду, что при определении размеров водопотребления применительно к оценке возможностей источника водоснабжения (эксплуатационных запасов) руководствуются значениями средних норм водопотребления, однако для гидравлического расчета водопроводной сети используют максимальные значения норм, т.е. учитывается неравномерность водопотребления [1, 7, 20].

Расход воды для хозяйственно-питьевых нужд в поселке Q_xпб определяется исходя из численности его жителей Nи среднесуточной за год нормы расхода воды q_ж на 1 жителя по формуле:

Q_xпб = 10^-3·К_н·q_ж·N [м³/сут], (1)

 

где 10^-3 – коэффициент перевода л в м³;

К_н – коэффициент, учитывающий расход воды на местные нужды и неучтенные потери (обычно К_н =1.05÷1.1);

q_ж – норма водопотребления л/сут на 1 жителя (определяется по СНиПу, в зависимости от степени благоустройства и природно-климатических условий района проектируемого водоснабжения (см. табл.1) (для северных районов страны принимается минимальная, для южных – максимальная норма водопотребления));

N – число жителей в населенном пункте.

 

Таблица 1

Степень благоустройства районов жилой застройки	Нормы хозяйственно-питьевого водопотребления в населенном пункте (на 1 жителя)
1. Застройка зданиями, оборудованными внутренним водопроводом и канализацией без ванн 2. То же с ваннами и местными водонагревателями 3. То же с централизованным горячим водоснабжением	125 -160   160 - 250   230 - 350

Примечание:

1. Для районов застройки зданиями с водоиспользованием из водозаборных колонок q_ж принимается в диапазоне 30-50 л/сут.

2. Выбор норм водопотребления производится в зависимости от природно-климатических условий и степени благоустройства зданий (для северных районов страны принимается минимальная норма, для южных - максимальная).

3. Для сельских населенных пунктов с численностью до 3000 чел. принимается минимальная норма.

4. Количество воды на нужды местной промышленности и неучтенные расходы принимают в размере 5-10% от суммарного расхода на хозяйственно-питьевые нужды (т.е. К_н = 1.05÷1.1).

 

Расход воды на поливы территории поселка и предприятия определяется с учетом характера поливаемых площадей и норм расхода на поливы, установленных СНиПом (табл. 2). При отсутствии денных о площадях по видам благоустройства суммарный расход воды на поливы Q_бл определяется, исходя из общей численности населения N и нормы расхода на поливы q_пол исчисляемой на одного жителя (в зависимости от климатических факторов СНиПом рекомендована q_пол =50-90 л/сут:

 

Q_бл = 10^-3·q_пол·N [м³/сут]. (2)

 

Таблица 2

Назначение воды	Измеритель	Нормы расхода на поливку (л/м2)
Механизированная мойка усовершенствованных покрытий проездов и площадей Механизированная поливка усовершенствованных покрытий проездов и площадей Поливка вручную Поливка городских зеленых насаждений Поливка газонов и цветников Поливка посадок в теплицах	1 мойка   1 поливка -//- -//- -//- 1 сутки	1.2 – 1.5   0.3 – 0.4 0.4 – 0.5 3 – 4 4 – 6 6 – 15

Примечание: При отсутствии данных о площадях по видам благоустройства (зеленые насаждения, проезды и т.п.) суммарный расход воды на поливку в пересчете на 1 жителя следует принимать в пределах 50-90 л/сут в зависимости от природно-климатических условии.

 

 

Расход воды для хозяйственно-питьевых нужд на предприятиях Q_хпп определяется, исходя из численности работающих в холодных N_х и горячих N_г цехах и соответствующих им норм расхода воды на одного работника в смену q_х и q_г по формуле (табл. 3):

 

Q_хпп = (q_х·N_х + q_г·N_г)·10^-3 + n_дс·q_дс·n_с·10^-3[м³/сут], (3)

 

гдеn_дсиq_дс – соответственно количество душевых сеток и норма расхода воды на 1 душевую сетку (определяются по СНиПу в зависимости от характера производственного процесса);
n_с – количество смен на предприятии. Обычно принимают:

q_дс =375-500 л/сут, , где n – количество человек на 1 душевую сетку в зависимости от санитарных условий производственного процесса (n =3÷15 чел.) (табл. 4).

 

 

Таблица 3

Виды цехов	Норма хозяйственно-питьевого водопотребления на промышленных предприятиях на 1 человека в смену в л	Коэффициент часовой неравномерности водопотребления
В цехах с тепловыделением 20 Ккал на 1 м3/ч В остальных цехах		2.5

 

Таблица 4

Группы производственных процессов	Санитарные характеристики производственных процессов	Количество человек на 1 душевую сетку
I   II	а) не вызывающих загрязнение одежды и рук; б) вызывающих загрязнение одежды и рук; в) с применением воды; г) с выделением больших количеств пыли, либо особо загрязняющих веществ.

 

 

Расход воды на производственные нужды предприятия обычно задается (см. задание), либо определяется исходя из годового объема продукции предприятия О_г и нормы расхода воды

q_ед в литрах в единицу продукции по формуле:

[м³/сут]. (4)

Расход воды для пожаротушения Q_пож (пожарный запас воды) определяется исходя из расчетного количества одновременных пожаров n_п, их расчетной продолжительности t_п, нормы расхода воды на пожаротушение q_п и времени восстановления пожарного запаса t_в по формуле:

[м³/сут], (5)

где исходные для расчета данные q_п, n_п, t_п и t_в определяются по СНиПу (обычно принимают t_п = 3ч, пункт 3.19 СНиП; t_в = 3 сут, пункт 3.26 СНиП) (табл. 5).

 

Таблица 5

Количество жителей в населенных пунктах в тыс.чел., до…	Расчетное количество одновременных пожаров	Расход воды на наружное пожаротушение в населенных пунктах в л/с на 1 пожар
Застройка зданиями высотой до 2-х этажей включительно	Застройка зданиями высотой 3 этажа и выше
		– – – – – – – – –

 

Примечание:

1. В жилых районах, застроенных зданиями до 2-х этажей включительно, входящих в состав населенных пунктов с большей этажностью застройки допускается принимать расход воды для тушения пожара, соответствующий этажности застройки и количеству жителей в этих районах. При этом общий расход воды на пожаротушение в населенном пункте надлежит определять в зависимости от общей численности населения в нем.

2. Расчетный расход воды на наружное пожаротушение для сельских населенных пунктов численностью до 500 чел. допускается принимать 5 л/с при продолжительности пожара 3 ч независимо от этажности и степени огнестойкости зданий.

3. Расчетное количество одновременных пожаров и расход воды на 1 пожар для населенных пунктов с количеством жителей более 2 млн. чел. устанавливаются по согласованию с органами Государственного пожарного надзора.

 

 

Общие размеры водопотребления (иди суммарная производительность проектного водозабора) определяются как сумма расходов воды по всем видам водопотребления (т.е. определяемых по формулам 1-5):

Q_общ =Q_xпб + Q_бл + Q_хпп + Q_тех + Q_пож, [м³/сут]. (6)

 

2.2. Оценка качества воды и выбор источника водоснабжения.

Подземные воды предполагается использовать для разных нужд, однако определяющим здесь является обеспечение хозяйственно-питьевых потребностей жителей поселка и работников предприятия. Поэтому вода источника водоснабжения по своему качеству должна отвечать требованиям, предъявляемым СанПиНом [21]. Выбор источника водоснабжения осуществляется на основе сопоставления показателей качества подземных вод рассматриваемого месторождения (участка), установленных в процессе разведочных работ, с требованиями СанПиН (в данном случае в виду учебного характера задачи этот выбор формален, т.к. имеется только один возможный источник водоснабжения).

2.3. Мероприятия по улучшению качества воды. Если по какому-либо из показателей подземные воды оцениваемого месторождения не отвечают требованиям СанПиН, должны быть предусмотрены мероприятия по улучшению качества воды. При их назначении следует руководствоваться положениями СНиПа [21], изложенными в разделе "Очисткаводы и водоподготовка". Следует отметить, каким образом мероприятия по улучшению качества воды повлияют на систему водоснабжения (необходимость сбора воды, ее обработки, установки резервуаров и дополнительных насосных станций и т.п.).

2.4. Анализ природных условий, их схематизация и обоснование расчетной гидрогеологической схемы. Этот раздел является од­ним из наиболее важных в гидродинамическом обосновании условий работы проектируемого водозабора. Используя обще принципы схематизации гидрогеологических условий и построения расчетных схем, изучаемые в курсе динамики подземных вод [2, 3, 5], необходимо выполнить тщательный анализ всех имеющихся по геолого-гидрогеологическим условиям месторождения данных, провести обоснованную их схематизацию и обосновать расчетную гидрогеологическую схему, применительно к прогнозу условий работы проектируемого водозабора на расчетный срок его эксплуатации. При схематизацииусловий следует обратить особое внимание на характер границ пласта и граничные условия в разрезе и в плане, на строение пласта ирасчетные значения его параметров, на источники формирования эксплуатационных запасов, режим и мерность фильтрации. Последовательность схематизации может быть общепринятой [2, 5]. Имея в виду конечную цель выполняемых на основе расчетной схемы гидрогеологических расчетов (прогноз условий работы проектируемого водозабора) схематизация должна быть обоснованной, обеспечивая вслучае необходимости определенный запас прочности выполняемых прогнозов. При этом возможно выполнение расчетов на основе двух-трех расчетных схем, по-разному учитывающих гидрогеологические условия (например, по самой неблагоприятной, умеренной и по самой благоприятной расчетным схемам). Вариантность схем следует, в частности, практиковать при невоз­можности однозначной трактовки гидрогеологических условий, либо при необходимости доказатьобоснованность выполняемых прогнозов, путем преднамеренного ухудшения в расчетной схеме природных гидрологических условий (неучет дополнительных источников пита­ния и др.).

2.5. Обоснование количества я схемы расположения водозаборных скважин. Проектная производительность водозаборных скважин принимается либо на основе фактических дебитов разведочных скважин при их опробовании, либо на основе определения расчетной водозахватной способности водозаборных скважин Q_в. Последняя, в частности, определяется исходя из допустимой входной скорости воды в фильтр и площади рабочей части фильтра F_ф = 2πr₀ l ₀ соответственно по формуле:

 

Q_в.= v _доп· F_ф = 65 k ^1/3·2πr₀ l ₀=130· πr₀ l ₀ k ^1/3 [м³/сут]. (7)

 

Длина рабочей части фильтра l ₀ в пластах небольшой мощности (до 20-30 м) принимается примерно равной мощности пласта. В грунтовых потоках она принимается из условия, чтобы фильтр был затопленным, а остаточный столб воды обеспечивал заглубление насоса и проект­ный дебит скважины. Радиус скважины при таких расчетах может приниматься равным 0.1 м (r₀=0.1). С учётом возможного развития про­цессов кольматации фильтров проектный дебит скважин Q_с.п. назна­чают обычно порядка (0.5 ÷ 0.75) Q_в.

Общее количество водозаборных скважин для обеспечения суммарной потребности объектов в воде Q_сум, определяется с округле­нием и последующим уточнением дебита по формуле:

n= Q_сум / Q_с.п.. (8)

 

Количество резервных скважин в соответствии с требованиями СНиПа принимают равным 1-2 при количестве водозаборных скважин до 10 и 10-20% при большем их количестве.

Схема размещения водозаборных скважин (линейный или кольцевой ряд, площадное расположение и др.) устанавливается с учетом конкретных условий месторождения. Линейные ряды практикуются при наличии линейных контуров питания и в полосообразных пластах, кольцевые – в пластах, приводимых к круговым, в неограниченных пластах и т.д. Скважины следует располагать в удалении от непроницаемых границ и контуров питания обычно не ближе 100-200 м, с учетом загрязненности по­верхностной воды, ее очищаемости, затопляемости пойм и т.п.). Расстояние между скважинами следует устанавливать на основе повариантных расчетов, стремясь к тому, чтобы заданная производительность водозабора Q_сум обеспечивалась эксплуатацией наиболее компактного водозабора при величинах понижений в расчетных скважинах, не превышающих допустимого S_доп. Ориентировочно это будет отвечать наиболее оптимальной схеме расположения водозабора (при этом минимальное расстояние между скважинами, как правило, не должно быть меньше мощности продуктивного горизонта).

2.6. Выбор метода расчета и расчетных формул. При значительном количестве водозаборных скважин (практически при n>3) для повариантных расчетов следует использовать расчеты по методу обобщенных систем [2, 3, 5, 6], когда понижение уровня в расчетной скважине (самой нагруженной по понижению или дебиту) определяется как сумма S_p ⁼ S_об + ∆S_с, где S_об – понижение уровня, обусловленное действием обобщенной системы; ∆S_с – дополнительное понижение уровня в расчетной скважине, обусловленное ее положением относительно других скважин и степенью ее несовершенства. В общем виде формула для определения ∆S_с в напорном и безнапорном потоках имеет соответственно вид:

и , (10)

 

где: r_п – условный радиус внутренней области влияния расчетной скважины (при контурном расположении скважин r_п=σ/π; 2σ – расстояние между скважинами, при площадном расположении ; F – площадь внутренней области влияния расчетной скважины); - поправка на несовершенство скважин, определяемая по специальным графикам и таблицам [2, 3, 5, 6, 11 и др.] в зависимости от l ₀/m и m/r₀. (приложение 6, 7)

Как уже отмечалось, для установления оптимальной (по гидродинамическим и косвенно по технико-экономическим показателям) схемы расположения скважин следует выполнять повариантные расчеты, варьируя как размерами водозабора (обязательно), так и положением относительно границ пласта (при необходимости).

2.7. Гидродинамические расчеты по прогнозу условий работы проектируемого водозабора. Они состоят в выполнении повариантных расчетов по соответствующим расчетным схемам и методам, формулам и получении доказательств возможности эксплуатации предлагаемого варианта водозабора с заданным дебитом Q_сум в течение расчетного периода (обычно t =9125 сут) при условии,что величина понижения уровня в расчетной скважине не превысит предельно допустимого S_доп. Предельно допустимое понижение принимается в соответствии с существующими рекомендациями (обычно принимают S_доп=(0.5÷0.75)Н_е), при условии, что остаточный столб воды в скважине обеспечивает нормальные условия ее эксплуатации выбранным насосным оборудованием. Повариантноые гидродинамические расчеты желательно иллюстрировать вспомогателыми схемами и графиками, отображающими суть и результаты выполняемых расчетов (схемы расположения водозабора с указанием расчетных показате­лей, графики Q_сум= f (2σ, 2 l, R₀,...) и др.). Для пониманиясущности формирования эксплуатационных запасов подземных вод при эксплуатации водозабора желательно выполнять оценку роли отдельных составляющих эксплуатационных запасов с составлением гидрографа или схемы формирования запасов.

2.8. Выбор схемы водоснабжения объектов. С учетом конкретных условий месторождения, местоположения объектов, рельефа и других факторов обосновывается выбор типа водопроводной сети, состав узлов и сооружений системы водоснабжения, их взаимное расположение (схема водоснабжения). Дается описание функций отдельных узлов системы водоснабжения и режим их работы. В основном, учитывая незначительные размеры и концентрированный характер водопотребления и линейное (друг за другом) расположение объектов водоснабжения следует ориентироваться на использование тупиковой водопроводной сети. Для повышения ее надежности в пределах жилого массива магистральные водоводы целесообразно расположить по его контуру (форма жилого массива считается заданной, а его площадь F_м может быть определена, исходя из численности населения в поселке N, нормы жилого массива на одного жителя f= 25 м²и этажности зданий в поселке (Эт) по формуле F_м=N f /Эт.

На ответственных участках водопроводной сети для повышения надежности системы водоснабжения (по требованиям СНиП она должна отвечать 2-й категории надежности) могут быть предусмотрены па­раллельные водоводы.

 

 

 

Рис. 1. Обобщенная схема водоснабжения (план, разрез)

 

2.9. Гидравлический расчет водопроводной сети. Выполняется с учетом неравномерности водопотребления, т.е. для самых неблагоприятных условий ее работы (сеть должна быть рассчитанной на пропуск максимально возможных расходов воды, называемых расчетными или секундными расходами [1, 7, 8]). Такие условия возникают в часы и сутки максимального водопотребления с учетом того, что в это же время осуществляется тушение расчетного количества пожаров. При этом в самой неблагоприятной точке сети (самой удаленной или самой высокой) должен обеспечиваться необходимый для нормальной работы сети свободный (хозяйственный) напор Н_св, величина которого определяется по формуле:

 

Н_св=10+(Эт – 1)·4 (11)

 

2.9.1. Максимальные размеры водопотребления, необходимые для гидравлического расчета сети определяются по всем ранее рассмотренным категориям водопотребления с учетом коэффициентов суточной K_сут и часовой K_час неравномерности водопотребления. При этом допустимо не учитывать расходы на прием душа, поливы территории промышленного предприятия, мойку оборудования и другие нужды предприятия при обязательном учете максимальных расходов воды для пожаротушения. Максимальный расход воды для различных нужд Q_макс в л/с определяется как частное от деления максимального объема потребной воды на время ее расходования по следующим формулам:

Для хозяйственно-питьевых нужд в поселке

 

[л/с], (12)

 

где: К_сут и К_час – коэффициенты суточной и часовой неравномернос­ти, определяемые по СНиПу (пункт 3.3) в зависимости от характера объектов водопотребления.

Для К_{сут.макс} принимается диапазон 1.1÷1.3, а К_{час.макс} опреде­ляется из выражения:

К_ч.макс = α_макс·β_макс

где α – коэффициент, учитывающий степень благоустройства зданий, режим работы предприятий и другие местные условия, принимаемый α_макс = 1.2÷1.4;

β – коэффициент, учитывающий количество жителей в населенном пункте, принимается по табл. 6.

 

Таблица 6

Количество жителей в тыс.чел.	до 1	1.5	2.5								1000 и более
β	2.0	1.8	1.6	1.5	1.4	1.3	1.2	1.15	1.1	1.05	1.0

Для поливов территории поселка при обшей длительности полива в часах t_пол:

 

Q_{бл.макс.} = 10^-3·q_пол·N/3600·t_пол [л/с], (13)

Длительность полива t_пол в зависимости от климатических усло­вий принимается равной от 4 до 10 ч в сутки.

Для хозяйственно-питьевых целей на предприятии:

 

[л/с].(14)

где: К_час,х и К_час,г – коэффициенты часовой неравномерности водопотребления соответственно в холодных и горячих цехах (определяются по СНиПу (см. гл.2.1 настоящего пособия, табл.3), обычно К_час,х=3, К_час,г=2.5); t_c -длительность рабочих смен в часах.

На производственные нужды предприятия, если особо не оговорена неравномерность водопотребления:

[л/с], (15)

Для пожаротушения при одновременном возникновении расчетного количества пожаров n_п:

Q_{пож.макс.}=q_п·n_п [л/с], (16)

где: q_п – расход воды в л/с для тушения одного пожара (по СНиПу).

Максимальный секундный расход Q_макс определяется как сумма всех определенных по формулам (12-16) максимальных расходов:

 

Q_макс. = Q_{xпб.макс.} + Q_{хпп.макс.} + Q_{тех.макс.} + Q_{пож.макс.}, [л/с] (17)

 

2.9.2. Для выполнения гидравлического расчета водопроводная сеть разбивается на участки, аналогичные по условиям работы для каждого из которых определяется так называемый расчетный расход, учитывающий отдачу воды непосредственно в пределах рассматриваемого участка (путевой расход Q_пут) и транспортировку воды, предназначенной для отдачи на последующих участках (транзитный расход Q_тp), т.е.

Q_р= Q_тp +0.5Q_пут (18)

При определении путевых расходов на участках сети в преде­лах жилого массива следует считать, что отдача воды происходит равномерно по длине водоводов и поэтому путевой расход на любом из участков длиной l может быть определен как Q_пут=q· l (здесь

единичный путевой расход, приходящийся на 1 м длины водовода в пределах поселка; l _в – длина водовода, расположенного по периметру жилого массива).

2.9.3. Определив расчетные (секундные) расходы по всем участкам сети, приступают к ее гидравлическому расчету. Расчет сети заключается в подборе диаметров труб D _i и определении потерь напора h _i на различных участках сети при известных значениях расчетных расходов Q_р. Для подбора используются таблицы Шевелева (см. приложение 5), обобщающие результаты специальных исследований и расчетов по определению потерь напора в трубах различного диаметра при различных значениях расчетного расхода. При подборе диаметров труб по известной величине расчетного расхода Q_p следует ориентироваться на обеспечение движения воды в трубах со средней экономичной ско­ростью v _э, отвечающей минимальному значению суммарных затрат на строительство водоводов и подачу по ним воды (при диаметре труб до 400 мм v _э=0.7÷1.0 м/с, для труб большего диаметра v _э= 1÷1.5 м/с). Результаты расчета (подбора) сводятся в таблицу и используются затем при определении соотношения элементов системы водоснабжения по напорам, в частности, для определения напоров насосных станций и высоты водонапорной башни.

 

Вид сводной таблицы

№ участка	Расчетные расходы Q, л/с	Длина участка l, м	Диаметр водоводаD, мм	Экономичная скорость v э, м/с	Потери напора на 100i м водовода, м	Полные потери напора на расчетном участке ∆ h,=100i· l /100, м
1-2	Q1-2
…	…	…
5-7	Q5-7

 

Напоры насосных станций Н_Iп, Н_IIп и высота башни Н_б определяются, исходя из функции этих узлов в системе водоснабжения. Так, например, высота водонапорной башни Н_б, основной задачей которой является подача воды потребителям в часы максимального водопотребления при обеспечении свободного напора Н_св во всех расчетных точках сети, может быть определена по формуле:

Н_б = Н_св + ∆ h _б-р.т. + (z_р.т. - z_б) (19)

 

где: ∆ h _б-р.т. – сумма потерь напора в трубах водопроводной сети от башни до расчетной точки, в м; (z_р.т. - z_б) – разность отметок поверхности в расчетной точке и у башни.

Напоры насосов, установленных в скважину и подающих воду непосредственно в водопроводную сеть для водоснабжения потребите­лей, определяются соответственно по формуле:

Н_Iп = α + S_р + H_ст + (z_б - z_в) + ∆ h _в-б + H_б + h_б (20)

 

где: α – заглубление насоса под динамический уровень воды (обычно α=3÷4 м), H_ст – глубина залегания статического уровня подземных вод от поверхности; (z_б - z_в) – разность отметок поверхности земли у башни и водозабора (скважины); ∆ h _в-б – потери напора в трубах на пути от водозабора до башни; h_б – высота столба воды в баке водонапорной баши.

Если же установленные в скважинах насосы подают воду только для очистных сооружений, то это соответствующим образом учитывается в формуле (20), а для последующей после очистки подачи воды в водопроводную сеть устанавливаются насосные станции второго подъема, для которых напор определяется выражением:

 

Н_IIп = ∆ h _о-б + (z_б – z_о) + H_б + h_б (21)

 

где: ∆ h _о-б – потери напора в трубах на пути от очистных сооружений до башни.

Для компенсации несовпадения в режимах подачи и потребления воды в систему водоснабжения вводят регулирующие резервуары. В рассматриваемых условиях эта роль может быть отведена баку водонапорной башни, который должен в таком случае иметь достаточную емкость. При определении емкости бака водонапорной башни V_б учитывается необходимость хранения в нем пожарного запаса воды Q_пож и содержания регулировочного объема воды V_р (обычно принимается в размере среднечасового расхода воды с учетом обеспечения всех видов водопотребления, т.е V_р = 0.04·Q_общ) Таким образом

 

V_б = Q_пож + V_р = Q_пож + 0.04·Q_общ (22)

 

При известной емкости бака и его форме можно легко определить и его размеры. Так, например, для бака цилиндрической формы емкостью V_б диаметр D _б может быть определен по формуле:

D _б = (23)

 

Высота столба воды в баке h_б по конструктивным соображениям при­нимается в размере 0.75 D _б, т.е.

 

h_б =0.75 ·D _б. (24)

2.10. Обоснование конструкции водозаборных скважин и их оборудования следует выполнять в полном соответствии с требованиями СНиП, используя знания, подученные при изучении курса "бурение" и сведения о геолого-гидрогеологических условиях конкретного месторождения. Основными вопросами, которые следует здесь решить, являются: выбор способа бурения; обоснование глубины скважины, числа, диаметров и глубин спуска обсадных колонн; типа и размеров водоприемной части; подбор необходимого насосного оборудования и глубины его установки.

Водоприемная часть скважины (ее оборудование и размеры) должна обеспечивать эксплуатацию скважины с расчетными дебитом и понижениями (радиус r_с и длина рабочей части скважины должны быть обоснованы и увязаны с гидродинамическими расчетами по прогнозу водозахватной способности и понижений в скважинах). Диаметр эксплуатационной колонны должен обеспечивать размещение в ней выбираемого для эксплуатации водоподъемного оборудования. Выбор водоподъемного оборудования осуществляется в соответствии с расчетными величинами дебитов скважин и напоров, которые оно должно обеспечивать. Число колонн и глубина их спуска, а также тампонаж и цементация должны обеспечивать надежную изоляцию продуктивного горизонта от смежных с ним в разрезе горизонтов и от поверхностных загрязнений. Более детальные указания по обоснованию конструкций водозаборных скважин и их оборудованию изложены в работах [6, 11, 19].

2.11. Организация и содержание зон санитарной охраны (ЗСО). В этом разделе курсового проекта должны быть изложены соображения, а при возможности выполнено гидрогеологическое обоснование по организации и содержанию ЗСО проектируемого водозабора в соответствии с действующими положениями по их проектированию и эксплуатации [1, 3, 6, 7, 19]. Если в задании на проектирование системы водоснабжения имеются указания на возможность химического и микробного загрязнения, в проекте должны быть даны обоснования к выделению в составе ЗСО трех поясов: строгого режима и двух зон ограничений, ориентированных соответственно на недопущение химического и микробного загрязнения. Если имеются указания на какое-либо одно загрязнение, то обосновываются ЗСО в составе двух поясов: строгого режима и ограничений. При необходимости гидрогеологического обоснования размеров поясов ЗCO расчетными методами допустимо принимать значения недостающих для расчета параметров (естественный уклон потока, активная пористость и др.) по литературным данным или по аналогии. Следует изложить вкратце основные мероприятия по содержанию поясов ЗСО.

2.12. Перспективы организации искусственного пополнения запасов подземных вод (ИПЗПВ). При ограниченных эксплуатационных запасах подземных вод рассматриваемого месторождения (участка) должны быть оценены перспективы дальнейшего развития водоснабжения (увеличение Q_общ), продление периода эксплуатации действующего водозабора и др. цели) за счет организации ИПЗПВ. Следует изложить основные направления и рекомендации по решению задач ИПЗПВ, оценить перспективы практического использования этого мероприятия в условиях рассматриваемого месторождения. Детальные сведения по этому вопросу содержатся в работе [18].

Заключение. В заключении проекта излагаются основные выводы и результаты по выполненной работе, дается оценка выполненных раcсчетов и изложенных рекомендаций. Предлагаются вопросы и задачи, требующие уточнения или решения в процессе дальнейших исследований.

 

 

Варианты типовых задач

(геолого-гидрогеологические условия месторождений подземных вод)

 

Ниже приводятся 3 задачи, в каждой из которых охарактеризованы конкретные геолого-гидрогеологические условия, соответствующие определенному типу месторождений подземных вод, заданы фильтрационные и емкостные параметры водоносных и относительно водоносных пород, необходимые геометрические размеры. В случае необходимости увеличения количества заданий можно воспользоваться вариантами значений исходных параметров, которых предусмотрено по шесть на каждую задачу.

Приступая к выполнению задачи, студенту необходимо детально проанализировать гидрогеологические условия месторождения, построить схематический гидрогеологический разрез и план участка разведки. Далее необходимо определить тип месторождения подземных вод, обосновать расчетную схему и изобразить ее в виде схематического рисунка, показав на нем все необходимые параметры, границы, граничные условия. Затем следует подобрать формулу, аппроксимирующую расчетную схему, проверить возможность её использования по всем ограничениям и критериям и выполнить расчет водозабора подземных вод. Завершается выполнение задания обоснованием зон санитарной охраны водозабора и построением гидрографа эксплуатационных запасов подземных вод, заявленная потребность в воде или параметры для её определения задаются преподавателем отдельно.

 

Задача №1

Месторождение подземных вод разведано в долине реки. Первая надпойменная терраса шириной 500 м примыкает к коренному склону и сложена среднезернистыми аллювиальными песками мощностью h =35 м. Породы коренного склона слабопроницаемы, коэффициент фильтрации около 1.0 м/сут. С поверхности аллювиальные отложения перекрыты элювиальными суглинками мощностью 2-3 м. Отложения аллювия подстилаются черными келловейскими глинами, мощностью около 10 м, являющимися на данной территории региональным водоупором. Пойменные отложения реки представлены песчаными суглинками мощностью m₀ =1 м, k₀ =3·10^-2 м/сут. Ширина реки по урезу b =100 м, средняя глубина воды в реке h ₀=1м. Меженный расход реки составляет 8.2 м³/c.

В аллювиальных отложениях развит горизонт грунтовых вод, дренируемый рекой. Глубина залегания зеркала воды в среднем составляет 5 м. Коэффициент фильтрации песков k =10 м/сут, водоотдача µ =0.1.

 

Вариант	k, м/сут	h, м	µ	m0, м	k0, м/сут	b, м	h 0, м
			0.1		3·10-2
			0.15	0.5	2·10-2		1.5
			0.05	0.5	1·10-2		1.2
			0.1	0.4	5·10-2
			0.1	0.5	4·10-2
			0.07	1.0	5·10-2
			0.08	0.6	4·10-2		1.3

 

 

Задача № 2

Межгорная долина вытянута в меридиональном направлении и имеет ширину L =3 км. Долина заполнена верхнечетвертичными песчано-галечниковыми отложениями значительной мощности. В бортах долины обнажаются коренные практически водонепроницаемые породы. В песчано-галечниковых отложениях на водоупоре, сложенном скальными породами развит водоносный горизонт со свободной поверхностью уровней. Мощность водоносной толщи h =70 м,коэффициент фильтрации k =10 м/сут, водоотдача µ =0,1. Глубина залегания уровня грунтовых вод в пределах разведанного участка составляет около 5 м ниже поверхности земли. В 15 км ниже по долине наблюдается разгрузка подземных вод в виде источников с расходом около Q_род =15 л/с. Естественный уклон поверхности уровня составляет J =10^-3.

 

Вариант	k, м/сут	h, м	µ	L, км	Qpод, л/с	J
			0.1			10-3
			0.2			2·10-3
			0.2	2.5		3·10-3
			0.15			1.5·10-3
			0.25	3.5		5·10-3
			0.12	2.5		2.5·10-3
			0.15			2.5·10-3

Задача № 3

В центральной части крупного артезианского бассейна изучен первый от поверхности напорный водоносный горизонт. Подземные воды приурочены к верхней выветрелой толще трещиноватых известняков мелового возраста мощностью m =40 м. Коэффициент фильтрации k =10 м/сут, пьезопроводность а^* =4·10⁶ м²/сут. Ниже располагается плотная, практически водонепроницаемая толща так же известняков мощностью около 100 м. Известняки перекрыты песчано-глинистыми отложениями палеогенового возраста мощностью m ₀=20 м, представляющих собой слабопроницаемый слой. Коэффициент фильтрации этих отложений может быть принят равным k₀= 10^-4м/сут. На палеогеновых отложениях распространены рыхлые поверхностные отложения четвертичного возраста, мощностью около 20 м, хорошо проницаемые (коэффициент фильтрации около 20 м/сут), приуроченные к долине реки. В этих отложениях развиты грунтовые воды гидравлически тесно связанные с поверхностными водами реки и речных стариц. Статический пьезометрический уровень в меловом водоносном горизонте устанавливается на отметке Н =-10 м от поверхности земли. Движение подземных вод на С-В, уклон пьезометрической поверхности J =10^-3, активная пористость трещиноватых известняков 2 %.

 

Варианты задачи 3

Вариант	k, м/сут	m, м	k0, м/сут	m 0, м	а *, м2/сут	H, м	J
			10-4		4·106	-10	10-3
			3·10-4		2·106	-10	5·10-4
			4·10-4		106		2·10-3
			2·10-4		2,5·106	-5	1,5·10-3
			10-4		2·106		2,5·10-3
			3·10-4		1.5·106		8·10-4
			2·10-4		3·106		4·10-3

 

 

Приложения

В табличных приложениях даются варианты задания на проектирование (условия водоснабжения) и показатели качества воды, а также данные для подбора диаметров труб водоводов, расчета потерь напоров на отдельных участках водопроводной цепи, выбора поверхностных и погружных насосов по конкретным параметрам. Природные условия по району проектируемого водоснабжения выдаются индивидуально руководителем курсового проекта. При этом возможно использование материалов, полученных студентом по месту работы.

 

 

Приложение 1

Технические данные задания на проектирование

 

прямоугольник 1:3

+28

+12

Водопровод, канализация, без ванн

Примечание: N – число жителей в поселке; Nр – работает на предприятии; Nг – работает в горячих цехах; Qтех – расход воды на технологические нужды предприятия; l в-б – расстояние водозабор-башня; l б-п – расстояние башня-поселок; l п-пп – расстояние поселок-предприятие; nс – число смен на предприятии; zв – абс. отметка водозабора; ∆zб-в – превышение абс. отметки башни относительно водозабора; ∆zп-б – превышение абс. отметки поселка относительно башни.

квадрат

+26

+11

прямоугольник 1:2

+24

+10

Водопровод, канализация, горячая вода

квадрат

+22

+8

Варианты Показатели

N, тыс.чел.

Nр, % от N

Nг, % от Nр

Qтех, м3/сут

l в-б, м

l б-п, м

l п-пп, м

Форма ж. массива

Этажность

Кол-во смен, nс

zв, м

∆zб-в, м

∆zп-б, м

Благоуствройство

 

 

Приложение 2

Характеристика качества подземных вод

 

	1.1 7.8 0.4 0.4 0.07 1.8 0.008 0.04 3.0 2.0
	1.0 7.7 0.2 0.3 0.3 1.2 0.01 0.02 1.5 3.0
	0.9 7.6 0.15 0.3 0.4 1.5 0.005 0.03 4.0
	0.8 7.5 0.1 0.3 0.1 1.0 0.01 0.02 2.8 3.0
	0.7 7.5 0.3 0.1 0.2 0.8 0.01 0.01 2.7 2.8
	1.3 7.4 0.35 0.2 0.1 0.9 0.02 0.01 2.6 2.6
	0.5 7.3 0.2 0.1 0.4 1.0 0.01 0.01 2.5
	0.8 7.2 0.2 0.3 0.3 1.2 0.01 0.03 2.5 2.0
	0.5 7.1 0.1 0.1 0.2 0.7 0.01 0.02 1.3
	0.4 0.2 0.1 0.3 0.9 0.01 0.01 1.2
	0.7 6.2 0.1 0.25 0.5 0.8 0.02 0.02 1.1
	0.6 0.1 0.2 0.4 0.3 0.01 0.01 1.0
Варианты   Показатели	Минерализация, г/л рН Общая жесткость, мг-экв/л Хлориды (Cl), г/л Сульфаты (SO4), г/л Железо (), мг/л Фтор (), мг/л Мышьяк (), мг/л Свинец (), мг/л Нитраты (), мг/л Цинк (), мг/л Стронций (), мг/л ОМЧ Коли-индекс

Приложение 3

Типы и марки насосов, используемых для откачек при динамических уровнях 6 – 8 м

 

Эффективный диаметр скважины, мм	Тип и марка насоса	Подача, м3/ч	Высота нагнетания, м. вод. ст.	Тип и мощность двигателя	Диаметр входного патрубка, мм	Вес насоса, кг	Зазор на сторону, мм
	Ручные насосы РН, БКФ-2	0.7 – 1.4		1 – 2 чел.		16-20
	БКФ	2.3 – 3.5		1 – 2чел.		—	—
	Горизонталь­ный поршневой ПН-40	0.9 – 2.4		2.7 квт
	Центробежный 1В-09	1 – 2.5		1.0 – 1.7 квт
	Вихревой 1.5В-1.3	3 – 6	58 – 23	4.5 – 2.8 квт
	Консольный заливной 1.5К-6	6 – 14	20.3 – 14	1.7 квт
	1 СЦБ-1.5 или КАМА	0.7 – 1.5	19.0 – 12	0 – 4 квт
	Диафрагмовый «лягушка» №1			1 – 2 чел.		—	—
	» № 3			1 – 2 чел.		—	—
	Самовсасыва­ющий С-374	6 – 24	9 – 4	1 квт
	Самовсасыва­ющий 208			1.0 – 1.5 л. с.
	Консольный заливной 2К-6	10 – 30	34.5 – 24	4.5 л. с.
	С-247А			3 л. с.
	Консольный заливной ЗК-9а	25 – 45	24.2 – 19.5	4.5 квт
	Центробежный секц-ный МС-30	22 – 45	54 – 30	8 квт
	Консольный заливной ЗК-6	30 – 70	62 – 44.5	14 – 20 квт
	Поршневой