Fântână de apă subterană

O pânză freatică este o fântână care trage dintr-o pânză freatică .

Atunci când este excavat un puț freatic, nivelul suprafeței apei din butoiul puțului este aranjat în conformitate cu așa-numitul nivel netulburat al acviferului după un timp care este invers proporțional cu permeabilitatea acviferului .

Datorită particularității stratului freatic (lichidul nu este sub presiune), apa nu poate ajunge în mod natural la nivelul solului, așa cum se întâmplă în unele cazuri în fântânile arteziene , prin urmare extracția apei din fântână poate avea loc numai prin ridicare mecanică ( pompe ).

Se spune că o fântână freatică este completă atunci când traversează complet grosimea acviferului până la stratul impermeabil (sau patul acviferului), altfel vorbim despre o fântână incompletă.

Fântâna de apă subterană poate fi utilizată atât pentru extragerea apei în principal în scopuri agricole / industriale, cât și în domeniul construcțiilor, atunci când este necesar să se deprime suprafața apei subterane în cazul săpăturilor care implică acviferul.

Apa provenită din apele subterane poate fi folosită rareori în scopuri de băut deoarece, lipsită de o barieră de protecție superioară (ca în apele subterane arteziene), este mai supusă fenomenelor de poluare; filtrarea naturală care are loc în formația permeabilă nu este întotdeauna suficientă pentru a elimina toate substanțele nocive.

Raza de influență

Având în vedere un acvifer static, pentru care suprafața piezometrică este orizontală, atunci când este traversată de o fântână, în absența apei, în interiorul butoiului fântânii suprafața apei este aranjată în funcție de suprafața piezometrică netulburată (conform principiului nave comunicante ).

Cu toate acestea, dacă, prin intermediul unei pompe, se trage un debit constant, nivelul din sondă este deprimat, mai mult sau mai puțin rapid, în funcție de permeabilitatea solului, iar întreaga suprafață piezometrică se deformează luând forma un ventilator de rotație (pentru simetria axială evidentă), numit con de depresiune, teoretic asimptotic la nivelul pânzei freatice netulburate.

Această diferență de înălțime, care este o funcție a debitului de descărcare, creează o picătură piezometrică spre fântână, din care provine o mișcare de filtrare în acvifer.

Pe măsură ce pomparea continuă, nivelul puțului scade progresiv (regim tranzitoriu) până când debitul extras din puț este mai mare decât cel care curge în puț însuși din acviferul înconjurător și care crește odată cu creșterea depresiunii (debitul crește).

Când cele două cursuri, cel retras și cel furnizat de acvifer, ajung la echilibru, se ajunge la regina staționară.

În acest moment, nivelul din sondă nu se schimbă, iar ventilatorul devine stabil și se numește con de influență; extinderea sa variază în funcție de variația permeabilității acviferului, rezultând mai larg în solurile mai permeabile.

Extinderea conului se numește raza de influență.

Raza de influență corespunde razei unei insule circulare în centrul căreia se află fântâna.

Dacă două puțuri sunt plasate la o distanță mai mică de razele lor de influență respective, cele două interferează una cu cealaltă

În literatura de specialitate există mai multe formule empirice și semiempirice pentru calcularea razei de influență în cazul mișcărilor staționare:

Cea mai utilizată este cea a lui Sichardt care, pentru un singur puț, este:

$R=3000\cdot \Delta h\cdot {\sqrt {k}}$ ${\ displaystyle R = 3000 \ cdot \ Delta h \ cdot {\ sqrt {k}}}$ ${\ displaystyle R = 3000 \ cdot \ Delta h \ cdot {\ sqrt {k}}}$

unde este:

$\Delta h$ ${\ displaystyle \ Delta h}$ $\ Delta h$ reprezintă scăderea contorilor înregistrată în puțul de după pompare (depresiune);
$k$ ${\ displaystyle k}$ $k$ este coeficientul de permeabilitate sau conductivitatea hidraulică a acviferului în m / s.

O a doua formulă empirică frecvent utilizată este cea a lui Kussakin :

$R=575\cdot \Delta h\cdot {\sqrt {H\cdot k}}$ ${\ displaystyle R = 575 \ cdot \ Delta h \ cdot {\ sqrt {H \ cdot k}}}$ ${\ displaystyle R = 575 \ cdot \ Delta h \ cdot {\ sqrt {H \ cdot k}}}$

unde este $H.$ ${\ displaystyle H}$ $H.$ reprezintă grosimea în metri (sarcină hidraulică) a acviferului netulburat.

În cazul mișcărilor nestacionare, formula tezei poate fi utilizată pentru a calcula raza de influență:

$R=1,5\cdot {\sqrt {kH{\frac {t}{S}}}}$ ${\ displaystyle R = 1,5 \ cdot {\ sqrt {kH {\ frac {t} {S}}}}}$ ${\ displaystyle R = 1,5 \ cdot {\ sqrt {kH {\ frac {t} {S}}}}}$

unde este:

t

{\ displaystyle t}

t

este timpul în secunde;

S.

{\ displaystyle S}

S.

coeficientul de stocare.

În cazul acviferului dinamic, forma stratului freatic deformat se modifică ca urmare a extracției apei din fântână.

Suprafața liberă nu mai are o configurație sub forma unei pâlnii rotunde cu o axă de rotație care coincide cu cea a puțului, precum și în straturile statice, dar configurația sa este întotdeauna în formă de pâlnie, dar cu o pâlnie asimetrică.

De fapt, în întinderea din amonte de fântână, pâlnia se extinde teoretic până la infinit, în timp ce în aval se termină la o distanță finită de fântână.

Mișcare de filtrare

Datorită dimensiunii modeste și neregulilor canalelor disponibile în formațiunile permeabile, apa care curge prin ele întâmpină o rezistență ridicată la mișcare și, prin urmare, este caracterizată de o mișcare foarte lentă, numită mișcare de filtrare.

Deoarece viteza este foarte mică, contribuția energiei cinetice la energia totală pe care o deține fluidul este neglijabilă, prin urmare aceasta poate fi definită în fiecare punct cu numai înălțimea piezometrică .

Mișcarea de filtrare aparține, așadar, categoriilor de mișcări în regim vâscos (sau laminar sau Poiseuille ) în care viteza (V) este proporțională cu căderea piezometrică (J).

Această proporționalitate este bine descrisă de legea lui Darcy .

$V=kJ$ ${\ displaystyle V = kJ}$ ${\ displaystyle V = kJ}$

unde este $k$ ${\ displaystyle k}$ $k$ este conductivitatea hidraulică a acviferului în m / s

Cu toate acestea, acolo unde rocile filtrante au foramine mari (roci permeabile mari) mișcarea apei poate fi, de asemenea, turbulentă și, prin urmare, în aceste cazuri proporționalitatea dintre viteză și cădere încetează să mai fie valabilă (în aceste cazuri căderea este proporțională cu pătratul de viteza).

Rata de filtrare este o viteză fictivă prin care mișcarea generală a fluidului în sol este sintetizată prin legea lui Darcy.

Cunoașterea vitezei efective este practic imposibilă datorită complexității mari a sistemului de tuneluri de-a lungul căruia filtrele de apă care fac ca vectorul viteză să ia direcții și module foarte variabile de la punct la punct.

Relația dintre flux și depresie

Să luăm în considerare un puț complet care implică un strat freatic static (pat impermeabil orizontal) conținut într-o rocă cu un coeficient de permeabilitate constant.

Datorită extracției constante din acvifer, suprafața freatică, inițial orizontală, deprimă într-un mod de pâlnie până se stabilizează în condiții stabile.

Tendința liniilor de curgere a stratului freatic la starea de echilibru au o curbură semnificativă, prin urmare vectorul vitezei în toate punctele stratului freatic nu ar putea fi considerat orizontal și, prin urmare, de-a lungul suprafețelor verticale presiunea nu variază în conformitate cu legea hidrostatică (curenți liniari sau variați treptat).

Prin urmare, studiul riguros al acestei mișcări de filtrare este foarte complex.

Pe baza ipotezei Dupuit-Forchkeimer, tratamentul este considerabil simplificat.

Ipoteza are în vedere neglijarea componentei verticale a vectorului vitezei de filtrare (linii orizontale de curgere) în fiecare punct și, prin urmare, suprafețele izopiezometrice sunt suprafețe cilindrice coaxiale cu puțul.

Pe baza acestei ipoteze, se poate calcula debitul Q (m ³ / s) care traversează o suprafață cilindrică generică (izopiezometrică) distanță r de axa puțului

$Q=2\pi rhV$ ${\ displaystyle Q = 2 \ pi rhV}$ ${\ displaystyle Q = 2 \ pi rhV}$

unde este:

V.

{\ displaystyle V}

V.

este rata de filtrare în m / s;

h

{\ displaystyle h}

h

este nivelul dinamic al acviferului la distanță

r

{\ displaystyle r}

r

din axa puțului exprimată în metri

înlocuirea rezultatelor legii lui Darcy:

$Q=2\pi rhkJ=2\pi rhk{\frac {dh}{dr}}$ ${\ displaystyle Q = 2 \ pi rhkJ = 2 \ pi rhk {\ frac {dh} {dr}}}$ ${\ displaystyle Q = 2 \ pi rhkJ = 2 \ pi rhk {\ frac {dh} {dr}}}$

separarea rezultatelor variabilelor:

$hdh={\frac {Q}{2\pi rk}}dr$ ${\ displaystyle hdh = {\ frac {Q} {2 \ pi rk}} dr}$ ${\ displaystyle hdh = {\ frac {Q} {2 \ pi rk}} dr}$

integrându-se între peretele fântânii și suprafața cilindrică generică obținem:

$Q=\pi k{\frac {h^{2}-h_{0}^{2}}{\ln {\frac {r}{r_{0}}}}}$ ${\ displaystyle Q = \ pi k {\ frac {h ^ {2} -h_ {0} ^ {2}} {\ ln {\ frac {r} {r_ {0}}}}}$ ${\ displaystyle Q = \ pi k {\ frac {h ^ {2} -h_ {0} ^ {2}} {\ ln {\ frac {r} {r_ {0}}}}}}$

unde este:

h_{0}

{\ displaystyle h_ {0}}

h_0

este nivelul acviferului din fântână

r_{0}

{\ displaystyle r_ {0}}

r_ {0}

este raza puțului

Dacă luăm în considerare $r\geq R$ ${\ displaystyle r \ geq R}$ ${\ displaystyle r \ geq R}$ (raza de influență), adică la o distanță astfel încât pânza freatică să poată fi considerată netulburată de aport, se poate scrie formula anterioară:

$Q=\pi k{\frac {\Delta h(2H-\Delta h)}{\ln {\frac {R}{r_{0}}}}}$ ${\ displaystyle Q = \ pi k {\ frac {\ Delta h (2H- \ Delta h)} {\ ln {\ frac {R} {r_ {0}}}}}}$ ${\ displaystyle Q = \ pi k {\ frac {\ Delta h (2H- \ Delta h)} {\ ln {\ frac {R} {r_ {0}}}}}}$

unde este:

\Delta h

{\ displaystyle \ Delta h}

\ Delta h

este depresiunea în metri

R.

{\ displaystyle R}

R.

este intervalul de influență în metri

H.

{\ displaystyle H}

H.

este nivelul netulburat al pânzei freatice la o distanță R de axa puțului

Cu toate acestea, aceste ecuații nu sunt valabile în imediata apropiere a puțului datorită curburii semnificative pe care liniile de curgere o presupun aici și care fac ipoteza Dupuit-Forchkeimer inaplicabilă.

Formulele de mai sus sunt valabile pentru distanțe față de axa fântânii $r\geq (1-1,5)H$ ${\ displaystyle r \ geq (1-1.5) H}$ ${\ displaystyle r \ geq (1-1.5) H}$ .

Atunci când se lucrează cu picături mici (Δh≤0.05H) și pentru apele subterane, ecuațiile referitoare la apele subterane arteziene pot fi folosite fără a suporta erori apreciabile.

Suprafață de scurgere

Experiența a arătat că nivelul dinamic al stratului freatic poate fi măsurat lângă peretele fântânii $h_{0}$ ${\ displaystyle h_ {0}}$ $h_0$ nu coincide (și este mai mare) cu acea măsurabilă din fântână $h_{p}$ ${\ displaystyle h_ {p}}$ ${\ displaystyle h_ {p}}$ .

Prin urmare, există o secțiune a peretelui fântânii (cel dintre $h_{p}$ ${\ displaystyle h_ {p}}$ ${\ displaystyle h_ {p}}$ Și $h_{0}$ ${\ displaystyle h_ {0}}$ $h_0$ ) de-a lungul căruia apa țâșnește în atmosferă și ulterior curge de-a lungul peretelui. Această suprafață se numește suprafață de scurgere. În ipoteza Dupuit-Forchkeimer se consideră, de asemenea, că această suprafață este nulă, adică $h_{p}=h_{0}$ ${\ displaystyle h_ {p} = h_ {0}}$ ${\ displaystyle h_ {p} = h_ {0}}$

Curba caracteristică a puțului

Curba caracteristică a puțului este relația dintre debit și depresiune care pentru apele subterane este de tipul:

$Q=f(\Delta h^{2})$ ${\ displaystyle Q = f (\ Delta h ^ {2})}$ ${\ displaystyle Q = f (\ Delta h ^ {2})}$

spre deosebire de cel referitor la fântânile arteziene care este în loc de tipul:

$Q=f(\Delta h)$ ${\ displaystyle Q = f (\ Delta h)}$ ${\ displaystyle Q = f (\ Delta h)}$

într-o diagramă Q -Δh curba unei pânze freatice este convexă spre axa ordonată.

Această curbă este calculată cu teste in situ prin teste de pompare, măsurând depresiunea relativă pentru diferite valori ale debitului emis.

Realizare

Forarea puțurilor de apă subterană se efectuează în general cu mașini speciale pentru forarea solului care pot fi de patru tipuri:

sonde de percuție
sonde rotative cu circulație a apei
sonde mixte de rotație și percuție
sonde rotative cu circulație a noroiului

Odată realizată perforarea, conducta finală de căptușeală este introdusă în gaură pentru a preveni închiderea gaurii odată ce sonda a fost extrasă.

Țeava de căptușeală finală poate fi realizată cu diferite materiale în funcție de agresivitatea terenului traversat.

Cele mai utilizate sunt cele din oțel zincat, deși există și cele din material plastic (de exemplu PRFV ) sau chiar din oțel inoxidabil .

Conducta este oarbă în partea care nu afectează acviferul în timp ce este ferestrată (filtru) în secțiunea care traversează acviferul, pentru a permite extragerea apei.

Pentru a preveni pătrunderea apei care nu sunt subterane în acvifer (de exemplu apă poluată) prin orificiul puțului, spațiul dintre coloana de foraj și conducta finală este adesea cimentat în secțiunea oarbă.

În plus, pentru a preveni înfundarea materialului fin orificiile filtrului, se poate face o scurgere în jurul filtrului însuși.

Pentru a efectua inserarea învelișului, cimentarea și turnarea scurgerii, sonda trebuie să facă o gaură în general mai mare decât cea a țevii.

Apa este extrasă prin pompe electrice centrifuge cu axă orizontală sau verticală și în acest din urmă caz pot fi, de asemenea, scufundate.

Pompa poate fi instalată la nivelul solului când înălțimea diferenței dintre axa pompei, care funcționează în aspirație, și suprafața dinamică a lichidului din puț nu depășește 5-6 m pentru a evita formarea de fenomene periculoase de cavitație .

În caz contrar, pompa trebuie instalată într-o parte anterioară adecvată, care trebuie să fie întotdeauna situată la o înălțime niciodată mai mare de 5-6 m față de nivelul dinamic al pânzei freatice.

Cu toate acestea, atunci când adâncimea fântânii și excursiile la nivelul acviferului fac neeconomică construirea unei conducte anterioare (adâncime excesivă), se folosesc pompe submersibile .

Bibliografie

Citrini, Noseda: Hidraulică - CEA
Orabona: Lecții de hidraulică - Adriatica Editrice
Frega: Lecții de apeducte și canalizări - Liguori Editore

Portalul de geologie

Portal de inginerie