Ustalenie zasobów ujęć wód podziemnych, Inżynieria Środowiska, Woiągi, Studnia wiercona [ Pobierz całość w formacie PDF ]
6. Ustalanie zasobów eksploatacyjnych
ujêæ wód podziemnych
Zasoby eksploatacyjne wód podziemnych
to iloæ wód mo¿liwa do pobra-
nia w przyjêtej jednostce czasu w okrelonych warunkach hydrogeologicz-
nych i technicznych za pomoc¹ ujêcia w postaci pojedynczego otworu wiert-
niczego, grupy tych otworów, obudowanego ród³a naturalnego lub innego
wyrobiska konstrukcyjnie przygotowanego do korzystania z wód podziem-
nych.
Ustalenie zasobów eksploatacyjnych wi¹¿e siê z koniecznoci¹:
stwierdzenia wystêpowania wód podziemnych okrelonego poziomu wodo-
nonego w danym otworze wiertniczym lub ich zespole,
wykonania pompowañ badawczych (otwór rozpoznawczy pojedynczy lub
hydrowêze³),
przeprowadzenia obserwacji stacjonarnych naturalnego ród³a przewidzia-
nego do ujêcia,
uzyskania wyników badania jakoci wód w postaci analizy fizyczno-chemicz-
nej i bakteriologicznej w zakresie unormowanym przepisami sanitarnymi,
oceny odnawialnoci zasobów wód podziemnych w ujêtym poziomie wodo-
nonym w nawi¹zaniu do wyników regionalnych badañ hydrogeologicznych
i analiz zasobów wód podziemnych w jednostce bilansowej (zlewni), w ob-
rêbie której projektowane ujêcie jest zlokalizowane,
wykonania obliczeñ hydrogeologicznych niezbêdnych do okrelenia wydaj-
noci studni lub ród³a przy zachowaniu jakoci wody, któr¹ mo¿na pobie-
raæ z ujêcia.
W obliczeniach hydrogeologicznych musz¹ byæ uwzglêdnione zarówno czyn-
niki przyrodnicze, zwi¹zane z dop³ywem do ujêcia wody z warstwy wodononej
i jej otoczenia, jak i czynniki techniczno-hydrogeologiczne wynikaj¹ce z: kon-
strukcji otworu studziennego (studnia zupe³na, studnia niezupe³na), oporów hy-
 Ustalanie zasobów eksploatacyjnych ujêæ wód podziemnych
143
draulicznych i sprawnoci studni, wydajnoci eksploatacyjnych zwi¹zanych z wy-
miarami filtra i prêdkociami dopuszczalnymi przep³ywu wody podziemnej.
Z definicj¹ prawn¹ zasobów eksploatacyjnych cile s¹ zwi¹zane takie pojêcia
jak: depresja zwierciad³a wody podziemnej na ujêciu i w jego otoczeniu, obszar
wp³ywu ujêcia (leja depresji), obszar sp³ywu wody, obszar zasilania ujêcia, i wresz-
cie jego obszar zasobowy. Pojêcia te musz¹ znaleæ swój graficzny i liczbowy wyraz
w ka¿dej ze sporz¹dzanych dokumentacji hydrogeologicznych, ustalaj¹cych za-
soby eksploatacyjne ujêcia wód podziemnych.
Proces ustalania zasobów eksploatacyjnych wymaga wiêc znajomoci wie-
lu metod obliczeñ hydrogeologicznych, dobieranych przez hydrogeologa sto-
sownie do stwierdzonych warunków hydrogeologicznych, stopnia ich z³o¿o-
noci, wielkoci zapotrzebowania na wodê analizowanego w stosunku do
potencjalnej zasobnoci i stanu eksploatacji wód w badanym poziomie wo-
dononym.
6.1. Obliczanie wydajnoci ujêcia za pomoc¹ metod
analitycznych
6.1.1. Metody hydrodynamiczne
Jest to grupa najdok³adniejszych i najpewniejszych metod obliczeñ anali-
tycznych do prognozowania wydajnoci studni i ujêæ wód podziemnych, uto¿-
samianych w praktyce z ocen¹ ich zasobów eksploatacyjnych. Metody hydro-
dynamiczne rolê tê mog¹ spe³niaæ pod warunkiem, ¿e sporz¹dzony schemat
hydrogeologiczny jest wiarygodny i dokonano wyboru poprawnego schematu
obliczeniowego, uwzglêdniaj¹cego warunki graniczne, w tym w³aciwie okre-
lono zasiêg leja depresji. Warto podkreliæ, ¿e równania z zakresu hydrody-
namiki s¹ równoczenie równaniami bilansowymi, poniewa¿ pierwotne po³o-
¿enie powierzchni piezometrycznej wód podziemnych stanowi odwzorowanie
wielkoci ich naturalnego zasilania. Wskazanym jest, aby przy pos³ugiwaniu
siê metodami hydrodynamicznymi korzystaæ równolegle z metod ustalania
zasobów odnawialnych, które to metody pozwalaj¹ na obliczenie zasobów
dynamicznych w oparciu o d³ugoterminowe obserwacje stanów wód podziem-
nych (sieæ SOH w obserwacji PIG, sieæ IMGW w zakresie wód gruntowych)
lub analizê odp³ywu podziemnego rzek (sta³a sieæ IMGW, sieci okresowe zwi¹-
zane z hydrogeologicznymi dokumentacjami regionalnymi). Oszacowane mo-
du³y odp³ywu podziemnego mog¹ byæ bardzo pomocne przy wymiarowaniu
obszaru zasilania ujêcia wód podziemnych. Zestawienia tabelaryczne oraz
kartograficzne zobrazowanie wielkoci tego modu³u mo¿na znaleæ w publi-
kowanych opracowaniach hydrologicznych, sporz¹dzanych dla poszczególnych
zlewni rzecznych oraz dokumentacjach hydrogeologicznych zbiorników wód
podziemnych.
144
Metodyka okrelania zasobów eksploatacyjnych
Metody hydrodynamiczne obejmuj¹:
q
obliczenia wydajnoci wed³ug wzorów filtracji ustalonej Dupuita na dop³yw
wody do pojedynczej studni,
q
wzory na wielk¹ studniê w przypadku obliczeñ wydajnoci dla zespo³u studni,
q
obliczenia wed³ug wzorów Theisa i Hantusha w przypadku koniecznoci
prognozowania wydajnoci w warunkach d³ugotrwa³ej filtracji nieustalonej,
q
ca³kowanie graficzne siatki hydrodynamicznej w przypadku dysponowania
map¹ hydroizohips.
A. Obliczenia ustalonego dop³ywu do pojedynczej studni w warstwie nieograniczonej
Do obliczeñ wydajnoci przy ustalonej filtracji stosuje siê wzory Dupuita.
Dla wód o zwierciadle swobodnym:
H
2
-
h
2
0
H
2
-
h
2
0
Q
= p
k
=
1
36
k
[6.1]
R
R
ln
lg
r
r
0
0
lub podstawiaj¹c
h
o
=H-s
Q
= p
k
(
2
H
-
s
)
s
[6.1a]
R
ln
r
0
a dla wód o zwierciadle naporowym:
Q
=
2
p
km
(
H
-
h
)
=
2
73
km
(
H
-
h
0
)
[6.2]
R
0
R
ln
lg
r
r
0
0
lub podstawiaj¹c
H-h
o
=s
oraz
km=T
Q
=
2
p
Ts
[6.2a]
R
ln
r
0
gdzie:
Q dop³yw wody [m
3
/h],
k wspó³czynnik filtracji [m/h],
H wysokoæ statycznego zwierciad³a wody [m],
h
o
wysokoæ dynamicznego zwierciad³a wody w studni [m],
s = H h
o
depresja zwierciad³a wody [m],
m mi¹¿szoæ warstwy wodononej [m],
R promieñ leja depresji [m],
r
o
promieñ studni [m].
Zasiêg promienia leja depresji oblicza siê orientacyjnie za pomoc¹ wzorów
empirycznych:
Ustalanie zasobów eksploatacyjnych ujêæ wód podziemnych
145
Ø
dla wód o zwierciadle swobodnym wed³ug wzoru Kusakina:
R
575
=
s
k
H
[6.3]
Ø
dla wód o zwierciadle naporowym wed³ug wzoru Sichardta:
R
3000
s
k
[6.4]
gdzie:
k wspó³czynnik filtracji w m/s; pozosta³e oznaczenia bez zmian.
Wyniki obliczeñ wed³ug wzorów empirycznych s¹ zwykle orientacyjne. W zwi¹z-
ku z tym przy obliczeniach wydajnoci studni na potrzeby oszacowania zasobów eks-
ploatacyjnych, tam gdzie nie stosowano pompowañ hydrowêz³owych, pozwalaj¹cych
na bezporednie okrelenie zasiêgu leja depresji pomiarami terenowymi, nale¿y
obliczenia empiryczne porównaæ z przeliczeniem kontrolnym zasiêgu leja depresji
R
jako równowa¿nego promieniu ko³a obejmuj¹cego swoim zasiêgiem obszar zasi-
lania zwi¹zany ze wstêpnie oszacowan¹ wielkoci¹ zasobów eksploatacyjnych:
R
=
e
M
[6.5]
p
gdzie:
Q
e
szacowana wstêpnie wielkoæ zasobów eksploatacyjnych [m
3
/h],
M
d
modu³ zasobów odnawialnych przyjêty z hydrogeologicznych badañ re-
gionalnych (modelowanie) albo badañ hydrologicznych (odp³yw podziemny
rzek) [m
3
/h/km
2
].
W obliczeniach wydajnoci trzeba odrêbnie potraktowaæ przypadki studni,
które w swojej konstrukcji nie spe³niaj¹ za³o¿eñ przyjêtych w schemacie Dupui-
ta i tylko czêciowo ujmuj¹ dan¹ warstwê wodonon¹ (studnie niezupe³ne). P.  For-
chheimer (1930) przedstawi³ obliczenia odpowiednich poprawek, które wpro-
wadzone do wzorów odnosz¹cych siê do studni zupe³nych [6.1] i [6.2] umo¿liwiaj¹
poprawne obliczenia wydajnoci studni niezupe³nych.
Wydajnoæ studni niezupe³nej Q
n
jest wówczas równa:
d
Q
n
=
Q
×
b
[6.6]
gdzie:
Q wydajnoæ studni zupe³nej [m
3
/h],
b poprawka Forchheimera [1].
Poprawkê Forchheimera okrela siê z zale¿noci:
Ø
dla warstwy wodononej o zwierciadle swobodnym:
b
=
L
2
h
0
-
L
[6.7]
4
h
h
0
0
=
Q
146
Metodyka okrelania zasobów eksploatacyjnych
Ø
dla warstwy wodononej o zwierciadle naporowym:
b
=
L
4
2
m
-
L
[6.8]
m
m
gdzie:
L d³ugoæ czêci czynnej filtra [m],
h
0
wysokoæ dynamicznego (obni¿onego) zwierciad³a wody w studni [m],
m mi¹¿szoæ warstwy wodononej [m].
Inne sposoby obliczania poprawki na niezupe³noæ studni, bardziej szczegó-
³owe ze wzglêdu na po³o¿enie filtra w warstwie wodononej, podane s¹ w do-
stêpnej literaturze (np. Turek red., 1971; Jarodzki, 1972).
B. Obliczenia dop³ywu ustalonego do pojedynczej studni w warstwie wodononej
ograniczonej jednostronnie granic¹ zasilaj¹c¹
Wzory Forchheimera (1930) dla warstwy zasilanej np. z rzeki, której koryto
spe³nia warunek granicy H=const maj¹ nastêpuj¹c¹ postaæ:
Ø
wydajnoæ studni w warstwie o zwierciadle swobodnym:
Q
=
p
k
(
2
H
-
s
)
s
[6.9]
2
a
ln
r
0
Ø
wydajnoæ studni w warstwie o zwierciadle naporowym:
Q
=
2
p
Ts
[6.10]
2
a
ln
z
r
gdzie:
a
z
odleg³oæ studni od granicy zasilaj¹cej, pozosta³e objanienia oznaczeñ
jak wy¿ej w tekcie. Dla odleg³oci a
z
= 0,5 R wzory [6.9] i [6.10] s¹ identycz-
ne z wzorami [6.1] i [6.2].
0
C. Obliczenia dop³ywu ustalonego do studni w warunkach jej wspó³dzia³ania w
zespole ujmuj¹cym warstwê nieograniczon¹
Wspó³dzia³anie dwóch otworów studziennych ma miejsce, gdy odleg³oæ pomiê-
dzy nimi L jest mniejsza ni¿ suma promieni przez nie wytworzonych: (rys. 6.1-1.)
Zmniejszenie wydajnoci studni w warunkach ich wspó³dzia³ania okrela wspó³-
czynnik interferencji:
a
=
Q
¢
[6.11]
Q
gdzie:
Q wydajnoæ studni w warunkach wspó³dzia³ania,
Q wydatek studni pracuj¹cej indywidualnie.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]