Расчет коэффициента фильтрации по результатам опытной откачки. Определение удельного дебита.
В таблице 4 приведены результаты опытных кустовых откачек. Каждый студент выполняет один из вариантов, приведенных в таблице.
Составляется схема откачки (рис.9).
Для выбора расчетных формул следует ответить на два вопроса: 1. Из какого водоносного горизонта проводилась откачка: ненапорного и напорного?
2. Центральная скважина была совершенной или несовершенной.
На первый вопрос дают ответ цифры, помещенные в графах 5 и 6, если они одинаковы, то воды ненапорные; если глубина установившегося уровня меньше, чем глубина появления воды, то воды напорные. На второй вопрос дает ответ графа 4. Если известна мощность водоносного горизонта, то центральная скважина совершенная. В последнем случае для расчета используются формулы Дюпюи, применительно к двум участкам:
1. Центральная скважина и первая наблюдаемая скважина.
1.1 Ненапорные воды.
1.2 Напорные воды
2. Первая наблюдаемая скважина, вторая наблюдаемая скважина.
2.1 Ненапорные воды
2.2 Напорные воды
где К1, К2 - коэффициент фильтрации, м/сут; Q - расход воды, м3/сут; r - радиус фильтрации в центральной и соответственно первой и второй скважинами, м; Х1, Х2 – расстояние между центральной и и соответственно первой и второй скважинами, м; Н, m – мощность ненапорного (Н) и напорного (m) водоносных горизонтов, м; S, S1, S2 – понижения воды в центральной (S), в первой наблюдаемой (S1) и во второй наблюдаемой (S2) скважинах.
Рисунок 9 - Схематические разрезы по линии I-П при кустовой откачке
а) воды ненапорные; 6) воды напорные
По каждому варианту следует определить К1, К2 и сделать вывод; к какой группе в классификации пород по водопроницаемости пород относится данная порода (табл.5), определить удельный дебит центральной скважины (q).
Таблица 5 - Классификация горных пород по водопроницаемости
| Группа | Характеристика пород | м/сутки |
| I | Очень хорошо водопроницаемые породы | 100-1000 и более |
| II | Хорошо водопроницаемые породы | 100-10 |
| III | Водопроницаемые породы | 10-1 |
| IV | Слабо водопроницаемые породы | 1-0,1 |
| V | Весьма слабо водопроницаемые породы | 0,1-0,001 |
| VI | Практически водопроницаемые породы | <0,001 |
Состав подземных вод
В таблице 6 приведены результаты сокращенного анализа грунтовых вод. Используя один из них (номер варианта), выполнить следующее:
а) пересчитать содержание ионов из мг/л в мг/экв/л и мг/экв %;
б) записать анализ в виде формулы М. Г. Курлова;
в) анализ в виде формулы солевого состава;
г) изобразить анализ на диаграммах треугольниках и диаграмме-
квадрате;
д) оценить состав воды по общей минерализации, величине рН,
химическому составу, жесткости и агрессивности в отношении бетона.
а) Пересчет ионной формы в эквивалентную производится по схеме:
На практике содержание каждого иона в мг/л умножается на пересчетный для каждого иона коэффициент (табл. 7). Коэффициент представляет собой величину, обратную эквивалентной массе данного иона. Результаты пересчетов, содержание каждого иона в мг-экв/л суммируется отдельно для катионов и анионов. Эти суммы должны быть близки друг к другу. Для получения мг-экв%, принимают раздельно сумму катионов и сумму анионов за 100%. Затем рассчитывается количество процентов, приходящихся на каждый анион и каждый катион в соответствии с их содержанием в мг-экв/л.
Правильность проведенного анализа контролируется величиной погрешности анализа в %.
где сумма А и сумма K — суммы мг-экв/л анионов и катионов.
Погрешность, в зависимости от категории анализа допускается от 2 до 5 процентов.
Таблица 7 - Коэффициенты для пересчета и ионной формы (мг/л) и эквивалентную (мг-экв/л)
| Ионы | Коэффициенты | Ионы | Коэффициенты |
| Сa2+ | 0,0499 | HCO3- | 0,0164 |
| Mg2+ | 0,0822 | SO42- | 0,0208 |
| N+ | 0,0435 | Cl- | 0,0282 |
| K+ | 0,0256 | NO3- | 0,0161 |
| NH4+ | 0,05543 | NO2- | 0,02174 |
б) формула М. Г. Курлова представляет собой псевдодробь, в числителе которой в убывающем порядке записывается эквивалентное или эквивалентпроцентное содержание анионов, в знаменателе - катионов. Записываются только ионы, содержание которых равно или больше 10 мг-экв%. Перед дробной линией (слева) ставится буква «М», а справа, внизу, от нее записывается величина общей минерализации (сухой остаток) в г/л.Левее буквы «М» записываются в мг/л газы и специфические компоненты (Sp). Справа от дробной черты записываются показатели Еh, рН, Т(oС):
Справа же, иногда записывают плотность (для минерализованных вод) и дебит скважины или источника в м3/сутки.
в) в формуле солевого состава независимо от содержания записываются в убывающем порядке все анионы и все катионы (мг-экв и мг-экв%), минерализации (г/л), газы и специфические компоненты (мг/л).
г) при большом количестве анализов, для наглядности и выделения распространения по площади и глубине различных типов воды, используются диаграммы - квадрат и треугольники.
На диаграмме-квадрате (любого размера) учитываются основные анионы и катионы (рис. 10). По верхней боковой стороне квадрата слева направо расположена шкала для суммы (Са2+ +Мg2+), по нижней стороне квадрата справа налево - шкала для суммы (Na++K+). По боковым сторонам квадрата находятся шкалы для анионов; справа, снизу вверх для (НСО-3+СО23-). Слева, сверху вниз - шкала для (S02-4+Сl-). Весь квадрат вертикальными и горизонтальными линиями через 10 процентов шкал, разделен на 100 маленьких квадратов, по номеру которых определяется тип воды.
Один анализ изображается на диаграмме - квадрате в виде точки. Эта точка находится на пересечении двух прямых линий - вертикальной, положение которой в квадрате определяется содержанием катионов, и горизонтальной, определяемой по содержанию в мг-экв% анионов.
Диаграмма - треугольник используется часто одновременно с диаграммой-квадратом. Строятся два равносторонних треугольника одинакового размера в том же масштабе, что и квадрат. Один для катионов, другой для анионов (рис. 10).
Рисунок 10 - Различные способы графического изображения химического состава вод
Таблица 8 - Пример расчета и записи химического состава грунтовых вод
а) Состав грунтовых вод
| Сухой остаток, мг/л | Катионы | Анионы | рН | Свободная СО2, мг/л | Жесткость, мг-экв/л | |||||||
| мг/л | мг-экв/л | мг-экв%/л | мг/л | мг-экв/л | мг-экв%/л | общая | устранимая | |||||
| Na+K | 20,5 | 0,89 | 29,9 | Сl- | 9,9 | 0,28 | 9,40 | 6,32 | 13,2 | 2,01 | 0,70 | |
| Mg | 8,3 | 0,68 | 22,8 | SO42- | 93,0 | 1,94 | 65,1 | |||||
| Ca | 28,3 | 1,41 | 47,3 | HCO3- | 42,7 | 0,70 | 23,49 | |||||
| NH4 | - | - | - | NO3- | 3,8 | 0,06 | 2,01 | |||||
| NO2- | - | - | - | |||||||||
| ИТОГО | 51,7 | 2,98 | 2,98 |
б) Запись в виде формулы М. Г. Курлова
в) Запись в виде формулы солевого состава
Примечание. Содержание ионов в формулах М.Г. Курлова и солевого состава иногда указывается с точностью до одного процента.
На каждой из сторон треугольников сделайте шкалы в мг-экв% от 0 до 100 процентов по часовой стрелке. В углах треугольников будет окончание шкалы одного иона (100%) и начало шкалы следующего по часовой стрелке иона (0о). Распределите анионы и катионы в соответствующих треугольниках; в треугольнике для ионов: по нижней стороне справа налево откладывается ион хлора; по левой боковой стороне снизу вверх следует отложить ион НСО3-, а по правой боковой стороне сверху вниз-ион (SO42-). Также располагаются ионы на треугольнике для катионов - на нижней стороне (Na++K)+, на левой боковой стороне (Са2+), на правой боковой стороне (Mg2+). В каждом из треугольников один анализ изображается в виде точки. Эти точки внутри каждого треугольника находятся на пересечении трех прямых линий параллельных сторонам треугольника (рис. 10). Эти линии должны начинаться на сторонах треугольника в точках, которые соответствуют процентному содержанию иона, изображенного на данной (этой) стороне треугольника (рис. 10). Соедините середины сторон в каждом треугольнике прямыми линиями. Получим четыре равносторонних треугольника внутри данного. По расположению точек (анализов) внутри треугольников можно судить о распространении видов воды по катионному и анионному составу раздельно. В средний треугольник попадут точки для смешанных по составу катионов или анионов вод. В треугольниках, прилегающих к углам основного (большого) треугольника, будут места (точки) для гидрокарбонатных, сульфатных или хлоридных вод по анионам, и кальциевых, магниевых и натриевых вод по катионам.
Заканчивается работа оценкой состава воды по данному варианту по различным показателям (по общей минерализации, общей жесткости, по величине рН, химическому составу и агрессивности в отношении бетона). По общей минерализации выделяют воды пресные (сухой остаток меньше 1 г/л), солоноватые (1-3 г/л), соленые (3-10 г/л), очень соленые (10-35 г/л), переходные к рассолам (35- 50 г/л) и рассолы (50-400 г/л). При оценке воды для питьевого водоснабжения используется ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая» (приложение 3). Используя учебники, учебные пособия и методические указания дается оценка воды по остальным показателям, приведенным выше.
Оценка воды
(пример: табл. 8.)
1. Общая минерализация (сухой остаток) 190 мг/л. Вода пресная.
2. Общая жесткость 2,01 мг-экв/л, Вода мягкая.
3. По концентрации ионов водорода рН==6,32. Реакция воды кислая.
4. Химический состав воды (по классификации О. А. Алекина)
а) класс сульфатный (S042- =65,0 );
б) группа натриево-кальциевая (Na++ К+) =29,87 мг-экв%;
Са2+ = 47,32 ).
в) вид (тип) - II [rHCO3<rCa2+<rMg2+<гНСОз- +rS042-]
[23,49<47,32+22,81<23,49+65,10];
г) краткая запись – SII Na Ca
Таблица 9 -Признаки агрессивности подземных вод
| Виды и показатели агрессивности | Грунты водопроницаемые (крупнообломочные, среднеобломочные) | Результат проявления агрессивности |
| Бетон, железобетон и бутобетон, портландцемент | ||
| Условие агрессивности | ||
| Общекислотная (рН) | рН меньше 7,0 | Частичное |
| Выщелачивающая - (временная жесткость в мг-экв/л) | Временная жесткость меньше 1,03 мг-экв/л | Растворение Бетона |
| Сульфатная - (SО4 в мг/л) | Содержание SO42- больше 250 мг/л | Образование новых солей в трещинах и порах бетона. Механическое разрушение бетона. |
| Магнезиальная (Mg2+ в мг/л) | Содержание иона магния больше 2000 мг/л | Образование Mg (OH)2 понижение прочности бетона |
| Углекислая - (содержание свободной СО2 в мг/л) | Содержание свободной СО2 (мг/л) Больше [а*Са2++в] (мг/л) | Растворение части бетона |
Таблица 10 - Значение коэффициентов «а» и «в»
| Временная жесткость, мг-экв/л | Суммарное содержание ионов Сl- + SO42- мг/л | |||||||||||
| 0-200 | 201-400 | 401-600 | 601-800 | 801-1000 | Больше 1000 | |||||||
| а | в | а | в | а | в | а | в | а | в | а | в | |
| 1,4 | 0,01 | 0,01 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | ||||||
| 1,8 | 0,04 | 0,04 | 0,03 | 0,02 | 0,02 | 0,02 | ||||||
| 2,1 | 0,07 | 0,08 | 0,05 | 0,04 | 0,04 | 0,04 | ||||||
| 2,5 | 0,10 | 0,08 | 0,07 | 0,06 | 0,06 | 0,06 | ||||||
| 2,9 | 0,13 | 0,11 | 0,09 | 0,08 | 0,07 | 0,07 | ||||||
| 3,2 | 0,16 | 0,14 | 0,11 | 0,10 | 0,09 | 0,08 | ||||||
| 3,6 | 0,20 | 0,17 | 0,14 | 0,12 | 0,11 | 0,10 | ||||||
| 4,2 | 0,24 | 0,20 | 0,16 | 0,15 | 0,13 | 0,12 | ||||||
| 4,3 | 0,28 | 0,24 | 0,19 | 0,17 | 0,16 | 0,14 | ||||||
| 4,3 | 0,32 | 0,28 | 0,22 | 0,20 | 0,19 | 0,17 | ||||||
| 5,0 | 0,36 | 0,32 | 0,25 | 0,23 | 0,22 | 0,19 | ||||||
| 5,4 | 0,40 | 2,36 | 0,29 | 0,26 | 0,24 | 0,22 | ||||||
| 5,7 | 0,44 | 0,40 | 0,32 | 0,29 | 0,27 | 0,25 | ||||||
| 6,1 | 0,48 | 0,44 | 0,36 | 0,33 | 0,30 | 0,28 | ||||||
| 6,4 | 0,54 | 0,47 | 0,40 | 0,36 | 0,33 | 0,31 | ||||||
| 6,8 | 0,61 | 0,51 | 0,44 | 0,40 | 0,37 | 0,34 | ||||||
| 7,1 | 0,67 | 0,55 | 0,48 | 0,44 | 0,41 | 0,38 |
5. Агрессивность подземных вод [табл. 9,10]. Зависит от химического и газового состава воды, скорости движения воды, температуры воды, материала подземных частей сооружения. Оценить можно качественно (да, нет) и приближенно агрессивность воды по отношению к бетону, например для случая хорошо водопроницаемых пород (большая скорость фильтрации), и портландцемента.
1. Общая агрессивность рН=6,32 — да.
2. Выщелачивающая агрессивность — карбонатная жесткость 1,96 нем.град.<3 нем.град.— да.
3. Углекислая агрессивность (СО2свободная = 13,2 мг/л) вода агрессивная.
4. Сульфатная агрессивность (SO42- = 93,0 мг/л) — нет.
5. Магнезиальная агрессивность (Mg = 8,3 мг/л) — нет.
Пояснительная записка
Используя работы 2.1-2.6, написать краткую пояснительную записку по следующим главам:
1. Рельеф. Пользуясь топографической картой, приведенной в методических указаниях, отметить основные формы рельефа — речную долину, склоны и водоразделы. В речной долине выделить террасы, указать тип террасы по гидрогеологическому разрезу (аккумулятивные, цокольные, эрозионные), абсолютные отметки их поверхности и ширину (по карте), вид террасы по отношению к руслу реки (пойменная, надпойменная). Указать верхнюю и нижнюю абсолютную отметку склонов, уклоны и направления склонов (максимальный и минимальный).
2. Гидрография. Отметить ширину русла рек, уклоны уровня воды, наличие притоков.
3. Геологическое строение. По гидрогеологическому разрезу, геолого-патологической карте и данным таблиц 2 или 3, описать вскрытые скважинами породы, начиная с более древних. При описании каждой породы надо указать: состав, относительный возраст (ярус, отдел, система), происхождение (морские, континентальные, аллювиальные, делювиальные и т.д.), условия залегания (горизонтально или наклонно залегающие пласты, линзы, прослойки), распространение по площади района (по всей площади, только в речной долине, только в пределах терассы, только на склонах и водоразделах выше абсолютной высоты, м), мощность. Для пород полностью не пробуренных, следует указать максимальную величину в метрах, на которую вскрыты породы.
4. Гидрогеологические условия района. Сначала указать количество вскрытых скважиной водоносных горизонтов (например: в пределах исследованного района вскрыто водоносных горизонтов). Затем каждый горизонт водоносный (сверху вниз) описать — это значит прежде всего назвать (верховодка, грунтовые воды, межпластовые, ненапорные воды); Затем отметить водоносные породы, их название, мощность и относительный возраст; водонепроницаемые породы снизу и сверху (при межпластовых водах). Далее надо указать источники питания горизонта водой и пути расходования воды из водоносных горизонтов, отметить связь их с рекой (река питает водоносный горизонт, водоносный горизонт питает реку) и с другими водоносными горизонтами (например: первый водоносный горизонт питает второй водоносный горизонт, а второй водоносный горизонт питается водой третьего и т.п.).
Пользуясь картой гидроизогипс, определите и напишите направление движения грунтовых вод и уклоны их поверхности, минимальный и максимальный. По карте глубин залегания уровня грунтовых вод укажите площади глубиной уровня меньше 1 метра, площади глубиной 1-3 м и больше трех метров. Приведите в тексте записки данные о коэффициентах фильтрации, полученных на основании опытных откачек, общую минерализацию, класс, группу и вид по классификации О. А. Алекина, характеристику воды по общей жесткости, агрессивности воды в отношении бетона.
Приложение 1
Стратиграфическая шкала
| Группа (эра) | Система (период) | Отдел (эпоха) | Индексы | Цвета на карте | Начало и конец, млн. лет | |
| новые | старые | |||||
| Кайнозойская Kz | Четвертичная (четвертичный) Q | Современный | Q4 | Бледные тона: желтоватый, сероватый, голубоватый | 1,5 - 0 | |
| Верхнечетвертичный | Q3 | |||||
| Среднечетвертичный | Q2 | |||||
| Нижнечетвертичный | Q1 | |||||
| Неогеновая (неогеновый) N | Верхненеогеновый | N2 | Лимонно- желтый | 26 - 1,5 | ||
| Нижненеогеновый | N1 | |||||
| Палеогеновая (палеогеновый) P | Верхнепалеогеновый | P3 | Pg3 | Оранжево- желтый | 47 - 26 | |
| Среднепалеогеновый | P2 | Pg2 | ||||
| Нижнепалиогеновый | P1 | Pg1 | ||||
| Мезозойская Mz | Меловая (меловой) | Верхнемеловой | K2 | Cr2 | Зеленый | 137 - 167 |
| K | Нижнемеловой | K1 | Cr1 | |||
| Юрская (юрский) J | Верхнеюрский | J3 | Синий | 195 - 167 | ||
| Среднеюрский | J2 | |||||
| Нижнеюрский | J1 | |||||
| Триасовая (триасовый) | Верхнетриасовый | T3 | Фиолетовый | 240 - 195 | ||
| Среднетриасовый | T2 | |||||
| T | Нижнетриасовый | T1 | ||||
| Палеозойская Pz | Пермская (пермский) P | Верхнепермский | P2 | Оранжево- коричневый | 285 - 240 | |
| Нижнепермский | P1 | |||||
| Каменноугольная (каменноугольный) С | Верхнекаменноугольный | C3 | Серый | 340 - 285 | ||
| Среднекаменноугольный | C2 | |||||
| Нижнекаменноугольный | C1 | |||||
| Девонская (девонский) D | Верхнедевонский | D3 | Коричневый | 410 - 340 | ||
| Среднедевонский | D2 | |||||
| Нижнедевоский | D1 | |||||
| Силурийская (силурийский) S | Верхнесилурийский | S2 | Серо- зеленый | 440 - 410 | ||
| Нижнесилурийский | S1 | |||||
| Ордовикская (ордовикский) О | Верхнеордовикский | O3 | Оливковый | 500 - 440 | ||
| Среднеордовикский | O2 | |||||
| Нижнеордовикский | O1 | |||||
| Кембрийская (кембрийский) | Верхнекембрийский | Cm3 | Голубовато- зеленый | 570 - 500 | ||
| Среднекембрийский | Cm2 | |||||
| Нижнекембрийский | Cm1 | |||||
| Протерозойская | Общепринятых подразделений нет | PR | Розовый | 2600 - 570 |
Примечание: Для палеогеновой, меловой и кембрийской систем в скобках приведены старые индексы
Приложение 3
Требования к качеству воды для хозяйственного-питьевого водоснабжения
(по ГОСТу 2874-82 «Вода питьевая»)
| Показатель | Предельное содержание |
| 1. Сухой остаток, мг/л | до 1000 |
| 2. Активная реакция, рН | 6,5-8,5 |
| 3. Общая жесткость, мг-экв/л | до 7 |
| 4. Хлориды, мг/л | до 350 |
| 5. Сульфаты, мг/л | до 500 |
| 6. Железо, Fe2+,Fe3+, мг/л | до 0,3 |
| 7. Марганец, Mn2+, мг/л | до 0,1 |
| 8. Цинк, Zn2+, мг/л | до 5,0 |
| 9. Остаточный алюминий, Al3+, мг/л | до 0,5 |
| 10. Свинец, Pb2+, мг/л | до 0,1 |
| 11. Мышьяк, As3+,5+, мг/л | до 0,05 |
| 12. Фтор, F (в зависимости от климатических районов, мг/л) | от 0,7 до 1,5 |
| 13. Нитраты, по N, мг/л | до 10 |
| 14. Аммиак, по N, мг/л | до 2,0 до 0,001 |
| 15. Стронций, Sr2+, мг/л | до 1,7 |
| 16. Уран природный U и уран - 238, мг/л | до 1,2*10-10 |
| 17. Радий - 226 (Ra), Ки/л | до 4,0*10-10 |
| 18. Стронций - 90 (Sr), Ки/л | не менее 300 |
| 19. Коли-титр | до 3 |
| 20. Коли-индекс |
Для заметок
Для заметок
ЛИТЕРАТУРА
1. Добровольский В.В. Геология. М.: Владос, 2004.
2. В.П. Ананьев, А.Д. Потапов «Основы геологии, минералогии и петрографии» М «Высшая школа», 2005 г.
3. В.И. Старостин П.А.Игнатов «Геология полезных ископаемых»,М «Академический Проект», 2004 г.
В авторской редакции
Компьютерная верстка Ратанова М.В, Федотовой С.В.
Подписано в печать _______
Усл. печ. л.
Тираж 100. Заказ _________
ИПК ФГБОУ ВПО ВолГАУ «Нива»
400002, г. Волгоград, пр. Университетский, 26